Схема и принцип работы контроллера заряда солнечной батареи

Применяемые на практике виды

На промышленном уровне налажен и осуществляется выпуск двух видов электронных устройств, исполнение которых подходит для установки в схему солнечной энергетической системы:

  1. Устройства серии PWM.
  2. Устройства серии MPPT.

Первый вид контроллера для солнечной батареи можно назвать «старичком». Такие схемы разрабатывались и внедрялись в эксплуатацию ещё на заре становления солнечной и ветряной энергетики.

Читайте также:  Трансформаторы для дома: обзор, характеристики, советы по выбору

Принцип работы схемы PWM контроллера основан на алгоритмах широтно-импульсной модуляции. Функциональность таких аппаратов несколько уступает более совершенным устройствам серии MPPT, но в целом работают они тоже вполне эффективно.


Одна из популярных в обществе моделей контроллера заряда АКБ солнечной станции, несмотря на то, что схема устройства выполнена по технологии PWM, которую считают устаревшей

Конструкции, где применяется технология Maximum Power Point Tracking (отслеживание максимальной границы мощности), отличаются современным подходом к схемотехническим решениям, обеспечивают большую функциональность.

Но если сравнивать оба вида контроллера и, тем более, с уклоном в сторону бытовой сферы, MPPT устройства выглядят не в том радужном свете, в котором их традиционно рекламируют.

Контроллер типа MPPT:

  • имеет более высокую стоимость;
  • обладает сложным алгоритмом настройки;
  • даёт выигрыш по мощности только на панелях значительной площади.

Этот вид оборудования больше подходит для систем глобальной солнечной энергетики.

mppt контроллер для солнечных батарей
Контроллер, предназначенный под эксплуатацию в составе конструкции солнечной энергетической установки. Является представителем класса аппаратов MPPT – более совершенных и эффективных

Под нужды обычного пользователя из бытовой среды, имеющего, как правило, панели малой площади, выгоднее купить и с тем же эффектом эксплуатировать ШИМ-контроллер (PWM).

схема контролера заряда аккумултора
схема подключения блока-регулятора

схема On/Off контроллера заряда
схема контролера заряда аккумултора солнечных батарей

PWM контроллер
МРРТ контроллер

Гибридный контроллер заряда
Контроллер заряда

схема контролера заряда от солнечных панелей

Стоимость

Система электроснабжения от солнечных батарей собирается, прежде всего, для экономии средств, поэтому цена на отдельные детали – очень важный момент. Предлагаемые варианты прошли испытание временем и являются оптимальным по сочетанию цена/качество:

  • Solar controller 20a – стоимость 20,75$ — простое управление, яркий ЖК дисплей, понятный интерфейс. Отлично справляется с задачей по заряду АКБ. Технология ШИМ (PWM). Имеется возможность подключения через USB к компьютеру для настройки.
  • MPPT Tracer 2210RN Solar Charge Controller Regulator, цена 75$ – MTTP контроллер на 20А – качественный и надежный, сертифицированный, распознает день/ночь. Высокий КПД – 97%

Используемые источники:

sovet-ingenera.com, energo.house, electric-220.ru, alter220.ru, masterclub.online, electricadom.com

Принцип работы

При отсутствии тока с солнечной батареи контроллер находится в спящем режиме. Он не использует ни одного вата из аккумулятора. После попадания солнечных лучей на панель электрический ток начинает поступать к контроллеру. Он должен включиться. Однако индикаторный светодиод вместе с 2 слабыми транзисторами включается только тогда, когда напряжение тока достигнет 10 В.

После достижения такого напряжения ток будет проходить через диод Шоттки к аккумулятору. Если напряжение поднимется до 14 В, начнет работать усилитель U1, который откроет транзистор MOSFET. В результате светодиод погаснет, и состоится закрытие двух не мощных транзисторов. Аккумулятор заряжаться не будет. В это время будет разряжаться С2. В среднем на это уходит 3 секунды. После разрядки конденсатора С2 гистерезис U1 будет преодолен, MOSFET закроется, аккумулятор начнет заряжаться. Зарядка будет происходить до момента, когда напряжение поднимется до уровня переключения.

Зарядка происходит периодически. При этом ее продолжительность зависит от того, каким является зарядный ток аккумуляторной батареи, и насколько мощные подключенные к ней устройства. Зарядка длится до тех пор, пока напряжение не станет равным 14 В.

Схема включается за очень короткое время. На ее включение влияет время зарядки С2 током, который ограничивает транзистор Q3. Ток не может быть больше 40 мА.

Читайте также:  Изготовление солнечной батареи

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

Устройство предназначено для работы только с одной солнечной панелью, которая создает ток с силой, не более 4 А. Емкость аккумулятора, зарядкой которого управляет контроллер, является 3 000 А*ч.

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

  • 2 микросхемы: LM385-2.5 и TLC271 (является операционным усилителем);
  • 3 конденсатора: С1 и С2 являются маломощными, имеют 100n; С3 имеет емкость 1000u, рассчитан на 16 V;
  • 1 индикаторный светодиод (D1);
  • 1 диод Шоттки;
  • 1 диод SB540. Вместо него можно использовать любой диод, главное, чтобы он мог выдержать максимальный ток солнечной батареи;
  • 3 транзистора: BUZ11 (Q1), BC548 (Q2), BC556 (Q3);
  • 10 резисторов (R1 – 1k5, R2 – 100, R3 – 68k, R4 и R5 – 10k, R6 – 220k, R7 – 100k, R8 – 92k, R9 – 10k, R10 – 92k). Все они могут быть 5%. Если хочется большей точности, то можно взять резисторы 1%.

uproshhyonnaya-shema-podklyucheniya.png

Как подключить контроллер заряда для солнечных батарей?

Этот прибор может находится внутри инвертора, а также может быть, как отдельным инструментом.

Задумываясь о подключении следует учитывать характеристики всех составляющих электростанции. К примеру, U не должно быть выше того с которым может работать контроллер.

Установку нужно выполнять в то место где не будет влаги. Дальше приведем варианты подключения двух распространенных типов контроллеров для солнечной батареи.

Подключение МРРТ

Это достаточно мощное устройство и подключается определенным образом. На концах проводов с помощью которых он подсоединяется имеются медные наконечники с зажимами. Минусовые клеймы прицепляемые к контроллеру нужно снабдить переходниками предохранителями и выключателями. Подобное решение не даст потерять энергию и сделает солнечную электростанцию более безопасней. Напряжение на солнечных панелях должно соответствовать напряжению контроллера.

Подключение

Перед тем как включить устройство mppt в цепь переключите выключатели на контактах в положение «Выкл» и вытащите предохранители. Все это делается по такому алгоритму:

  1. Выполнить сцепление клеймов АКБ и контроллера.
  2. Прицепить солнечные панели к контроллеру.
  3. Обеспечить заземление.
  4. Поставить на контролирующий прибор датчик отслеживающий уровень температуры.

Выполняя данную процедуру следить за правильностью полярности контактов. Когда все будет выполнено переведите выключатель в положение «ВКЛ» и вставьте предохранители. Правильность работы будет заметна если на табло контроллера высветится информация о заряде.

Подключение солнечной батареи к контроллеру PWM

Чтобы это сделать выполните простой алгоритм соединения:

  1. Кабеля АКБ сцепите с клеймами контроллера pwm.
  2. У провода с полярностью «+» нужно включить предохранитель для защиты.
  3. Соедините провода от СБ контроллером заряда солнечной батареи.
  4. Присоедините лампочку на 12 вольт к выводам нагрузки контроллера.

Подключение PWM

В момент подключения соблюдайте маркировку. В противном случае приборы могут поломаться. Не следует соединять инвертор с контактами контролирующего устройства. Он должен цепляться к контактам АКБ.

Структурные схемы контроллеров

Принципиальные схемы контроллеров PWM и MPPT для рассмотрения их обывательским взглядом – это слишком сложный момент, сопряжённый с тонким пониманием электроники. Поэтому логично рассмотреть лишь структурные схемы. Такой подход понятен широкому кругу лиц.

Вариант #1 – устройства PWM

Напряжение от солнечной панели по двум проводникам (плюсовой и минусовой) приходит на стабилизирующий элемент и разделительную резистивную цепочку. За счёт этого куска схемы получают выравнивание потенциалов входного напряжения и в какой-то степени организуют защиту входа контроллера от превышения границы напряжения входа.

Здесь следует подчеркнуть: каждая отдельно взятая модель аппарата имеет конкретную границу по напряжению входа (указано в документации).

Читайте также:  Таблица подбора пускателя по мощности двигателя


Так примерно выглядит структурная схема устройств, выполненных на базе PWM технологий. Для эксплуатации в составе небольших бытовых станций такой схемный подход обеспечивает вполне достаточную эффективность

Далее напряжение и ток ограничиваются до необходимой величины силовыми транзисторами. Эти компоненты схемы, в свою очередь, управляются чипом контроллера через микросхему драйвера. В результате на выходе пары силовых транзисторов устанавливается нормальное значение напряжения и тока для аккумулятора.

Также в схеме присутствует датчик температуры и драйвер, управляющий силовым транзистором, которым регулируется мощность нагрузки (защита от глубокой разрядки АКБ). Датчиком температуры контролируется состояние нагрева важных элементов контроллера PWM.

Обычно уровень температуры внутри корпуса или на радиаторах силовых транзисторов. Если температура выходит за границы установленной в настройках, прибор отключает все линии активного питания.

Вариант #2 – приборы MPPT

Сложность схемы в данном случае обусловлена её дополнением целым рядом элементов, которые выстраивают необходимый алгоритм контроля более тщательно, исходя из условий работы.

Уровни напряжения и тока отслеживаются и сравниваются схемами компараторов, а по результатам сравнения определяется максимум мощности по выходу.


Схемное решение в структурном виде для контроллеров заряда, основанных на технологиях MPPT. Здесь уже отмечается более сложный алгоритм контроля и управления периферийными устройствами

Главное отличие этого вида контроллеров от приборов PWM в том, что они способны подстраивать энергетический солнечный модуль на максимум мощности независимо от погодных условий.

Схемой таких устройств реализуются несколько методов контроля:

  • возмущения и наблюдения;
  • возрастающей проводимости;
  • токовой развёртки;
  • постоянного напряжения.

А в конечном отрезке общего действия применяется ещё алгоритм сравнения всех этих методов.











Контроллер заряда солнечной батареи

Самостоятельное изготовление

Если у человека имеются определенные познания в области электроники и электротехники, то можно попробовать собрать схему контроллера для солнечных панелей и ветрогенератора своими руками. Такой агрегат будет сильно уступать в функционале и эффективности промышленным серийным образцам, но в маломощных сетях его может быть вполне достаточно.

Кустарный регулирующий модуль должен отвечать основным условиям:

  • 1,2P ≤ I × U. В этом уравнении используются обозначения суммарной мощности всех источников (Р), выходного тока контроллера (I), напряжения в системе при полностью разряженных АКБ (U),
  • Максимальное входное напряжение контроллера должно отвечать суммарному напряжению батарей без нагрузки.

Наиболее простая схема подобного модуля будет иметь следующий вид:

Устройство, собранное своими руками, работает с такими характеристики:

  • Зарядное напряжение – 13,8 В (может меняться в зависимости от номинала тока),
  • Напряжение отключения – 11 В (настраивается),
  • Напряжение включения – 12,5 В,
  • Падение напряжения на ключах – 20 мВ при значении тока 0,5А.

Контроллеры заряда ШИМ или МРРТ типа являются одной из неотъемлемых частей любой гелиосистемы или гибридной системы на солнечных и ветрогенераторах. Они обеспечивают нормальный режим заряда аккумуляторных батарей, повышают эффективность и предотвращают их преждевременный износ, к тому же могут быть вполне собраны своими руками.

Выбор аккумулятора

Выбирая аккумуляторы для солнечных батарей, пользователи FORUMHOUSE руководствуются разными соображениями:

  • Те, у кого есть средства и возможности, приобретают долговечные и дорогостоящие щелочные аккумуляторы – никелево-кадмиевые (НК) или никелево-железные (НЖ).
  • Кто-то приобретает специализированные гелевые батареи, изготовленные по технологии GEL, которые в сравнении с привычными стартерными АКБ служат гораздо дольше, но и стоят дороже.
  • Те же, кто предпочитает наиболее доступный вариант, используют стартерные автомобильные АКБ.

Учитывая, что выбор АКБ во многом зависит от реальных возможностей владельца СБ, то давать какие-либо рекомендации в этом плане очень трудно. Но перечислить преимущества и недостатки различных батарей следует.

Кислотные (автомобильные) АКБ

Стартерные АКБ – самые дешевые и доступные для большинства покупателей батареи. Несмотря на довольно внушительную емкость, эти АКБ являются буферными: они изначально рассчитаны на кратковременный неглубокий разряд и быструю подзарядку до полной емкости. Они совершенно не предназначены для работы в условиях циклического режима и глубокой разрядки. Отсюда вытекают недостатки представленных аккумуляторов.

vvaleryvv Пользователь FORUMHOUSE, Москва.

Читайте также:  Поплавковый выключатель для насоса принцип работы, достоинства

В автомобильных АКБ буферный режим работы! Поэтому в автономке с циклическим режимом работы (неважно – есть 3-х стадийная зарядка или нет её) максимум – год работы, и хана стартерным АКБ. Я основываюсь на опыте очень большого экопоселения, в котором нет электросетей. Более сотни семей пробовали свинцовые АКБ (естественно, начиная со стартерных). Результат всегда один и тот же: при постоянном использовании батареи хватает на год, при сезонном – 2-3 года могут продержаться.

Для того чтобы срок службы автомобильного аккумулятора приблизить к максимальному, необходимо создать условия, при которых его разряд не будет превышать 20-30% от номинальной емкости. Одновременно следует обеспечить немедленную подзарядку АКБ. Реализовать подобный цикл в системах автономного питания довольно сложно, поэтому на практике АКБ разряжают не более чем на 50%. Разряжать батарею более чем на 80% нельзя, т.к. это очень быстро приводит к выходу аккумулятора из строя.

В таблице представлена зависимость напряжения холостого хода от степени разряда свинцово-кислотной батареи.

Таблица дает примерное понимание величины напряжения, при котором следует отключать нагрузку от АКБ (напряжение отсечки). Примерное оно потому, что напряжение аккумулятора, подключенного к нагрузке, всегда ниже напряжения холостого хода батареи. Параметры холостого хода замеряются, спустя несколько часов после отключения нагрузки. Устанавливая напряжение отсечки, лучше руководствоваться рекомендациями производителей АКБ и показаниями контроллера (большинство устройств показывает процент заряженности батареи).

Черномор93Пользователь FORUMHOUSE

Посмотрите паспорт на свою батарею. Я вчера смотрел информацию о том, какими токами ее можно разряжать и до каких значений.

Щелочные аккумуляторы

Щелочные АКБ рассчитаны на циклический режим работы (что оптимально для автономных систем электроснабжения): они способны постепенно отдавать свою энергию, пока не наступит их полный разряд.

И чем глубже будет разряжена такая батарея, тем большую емкость она наберет во время подзарядки (это называется эффектом памяти).

Leo2Пользователь FORUMHOUSE

Заряжать и разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя – только «от и до». Зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон) щелочные АКБ служат по 20 лет.

Существенный недостаток щелочных аккумуляторов состоит в том, что при малых токах они плохо заряжаются или не заряжаются вовсе. Решить подобную проблему можно, правильно рассчитав мощность солнечных панелей и установив подходящий контроллер.

Вывод: если есть такая возможность, то для солнечных панелей лучше приобретать щелочные аккумуляторы.

WatchCatПользователь FORUMHOUSE

У нас тут четверть века поселок без централизованного энергоснабжения, и все жители используют аккумуляторы – 12 В. Причем всегда, всеми правдами и неправдами, добывали щелочные (НК и НЖ). У меня сейчас работают десять банок ТНЖ-250 от погрузчика, списанные еще в начале 90-х. В них примерно треть паспортной емкости, но мне этого вполне достаточно, а емкость эта уже много лет не меняется.

Гелевые аккумуляторы

Если недостатки автомобильных аккумуляторов для потребителя неприемлемы, а приобрести подходящий щелочной аккумулятор у него нет возможности, то выбор делается в пользу свинцово-кислотных гелевых батарей. По своим характеристикам они оптимально подходят для автономных систем солнечной и ветровой энергетики, не требуют обслуживания, а срок их службы составляет 10 лет. Недостаток гелевых батарей их высокая стоимость.

Существуют еще литий-железо-фосфатные АКБ (литий-ионные). Они, кстати, признаны самыми лучшими батареями для автономных систем.

Беря во внимание «заоблачную стоимость этих устройств, в самодельных системах их используют лишь единицы.

Способы подключения контроллеров

Рассматривая тему подключений, сразу нужно отметить: для установки каждого отдельно взятого аппарата характерной чертой является работа с конкретной серией солнечных панелей.

Так, например, если используется контроллер, рассчитанный на максимум входного напряжения 100 вольт, серия солнечных панелей должна выдавать на выходе напряжение не больше этого значения.

Схема баланса напряжений
Любая солнечная энергетическая установка действует по правилу баланса выходного и входного напряжений первой ступени. Верхняя граница напряжения контроллера должна соответствовать верхней границе напряжения панели

Прежде чем подключать аппарат, необходимо определиться с местом его физической установки. Согласно правилам, местом установки следует выбирать сухие, хорошо проветриваемые помещения. Исключается присутствие рядом с устройством легковоспламеняющихся материалов.

Недопустимо наличие в непосредственной близости от прибора источников вибраций, тепла и влажности. Место установки необходимо защитить от попадания атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.

Читайте также:  Устройство и ремонт электромеханического стабилизатора

Техника подключения моделей PWM

Практически все производители PWM-контроллеров требуют соблюдать точную последовательность подключения приборов.

Соответствие подключений контроллера
Техника соединения контроллеров PWM с периферийными устройствами особыми сложностями не выделяется. Каждая плата оснащена маркированными клеммами. Здесь попросту требуется соблюдать последовательность действий

Подключать периферийные устройства нужно в полном соответствии с обозначениями контактных клемм:

  1. Соединить провода АКБ на клеммах прибора для аккумулятора в соответствии с указанной полярностью.
  2. Непосредственно в точке контакта положительного провода включить защитный предохранитель.
  3. На контактах контроллера, предназначенных для солнечной панели, закрепить проводники, выходящие от солнечной батареи панелей. Соблюдать полярность.
  4. Подключить к выводам нагрузки прибора контрольную лампу соответствующего напряжения (обычно 12/24В).

Указанная последовательность не должна нарушаться. К примеру, подключать солнечные панели в первую очередь при неподключенном аккумуляторе категорически запрещается. Такими действиями пользователь рискует «сжечь» прибор. В этом материале более подробно описана схема сборки солнечных батарей с аккумулятором.

Также для контроллеров серии PWM недопустимо подключение инвертора напряжения на клеммы нагрузки контроллера. Инвертор следует соединять непосредственно с клеммами АКБ.

Порядок подключения приборов MPPT

Общие требования по физической инсталляции для этого вида аппаратов не отличаются от предыдущих систем. Но технологическая установка зачастую несколько иная, так как контроллеры MPPT зачастую рассматриваются аппаратами более мощными.

Кабель с наконечниками
Для контроллеров, рассчитанных под высокие уровни мощностей, на соединениях силовых цепей рекомендуется применять кабели больших сечений, оснащённые металлическими концевиками

Например, для мощных систем эти требования дополняются тем, что производители рекомендуют брать кабель для линий силовых подключений, рассчитанный на плотность тока не менее чем 4 А/мм2. То есть, например, для контроллера на ток 60 А нужен кабель для подключения к АКБ сечением не меньше 20 мм2.

Соединительные кабели обязательно оснащаются медными наконечниками, плотно обжатыми специальным инструментом. Отрицательные клеммы солнечной панели и аккумулятора необходимо оснастить переходниками с предохранителями и выключателями.

Такой подход исключает энергетические потери и обеспечивает безопасную эксплуатацию установки.

Схема подключения MPPT
Структурная схема подключения мощного контроллера MPPT: 1 – солнечная панель; 2 – контроллер MPPT; 3 – клеммник; 4,5 – предохранители плавкие; 6 – выключатель питания контроллера; 7,8 – земляная шина

Перед подключением солнечных панелей к прибору следует убедиться, что напряжение на клеммах соответствует или меньше напряжения, которое допустимо подавать на вход контроллера.

Подключение периферии к аппарату MTTP:

  1. Выключатели панели и аккумулятора перевести в положение «отключено».
  2. Извлечь защитные предохранители на панели и аккумуляторе.
  3. Соединить кабелем клеммы аккумулятора с клеммами контроллера для АКБ.
  4. Подключить кабелем выводы солнечной панели с клеммами контроллера, обозначенными соответствующим знаком.
  5. Соединить кабелем клемму заземления с шиной «земли».
  6. Установить температурный датчик на контроллере согласно инструкции.

После этих действий необходимо вставить на место ранее извлечённый предохранитель АКБ и перевести выключатель в положение «включено». На экране контроллера появится сигнал обнаружения аккумулятора.

Далее, после непродолжительной паузы (1-2 мин), поставить на место ранее извлечённый предохранитель солнечной панели и перевести выключатель панели в положение «включено».

Экран прибора покажет значение напряжения солнечной панели. Этот момент свидетельствует об успешном запуске энергетической солнечной установки в работу.

Описание схемы устройства

Известно, что для эффективного отбора мощности контроллер должен отслеживать точку максимальной мощности солнечной панели, то есть точку, в которой и напряжение и ток, отдаваемые панелью, максимальны. Универсальные промышленные контроллеры, отслеживающие положение рабочей точки и рассчитанные на широкий диапазон мощностей солнечных панелей, собранных в батареи, достаточно дороги и избыточны в случае эксплуатации одиночной панели.

Точка максимальной мощности и температурный диапазон эксплуатации указываются в паспортных данных качественных панелей.

При проектировании предлагаемого контроллера реализованы обе основных задачи эксплуатации – непрерывное поддержание батареи в точке максимальной мощности и температурная коррекция положения рабочей точки.

Блок-схема контроллера представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением RВН.

Рисунок 1. Блок-схема контроллера солнечной панели.

При отсутствии внешнего освещения RВН стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности RВН стремится нулю, а ток к максимальному, технически допустимому значению.

Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии (при отсутствии освещения) конденсатор С1 разряжен, на выходе компаратора U1 присутствует «1», ключ S1 разомкнут. UOП равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.

При росте освещенности конденсатор С1 начинает заряжаться через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, на выходе компаратора появляется «0», замыкающий ключ S1.

Конденсатор С1 разряжается через S1 на нагрузку RН, после чего процесс повторяется.

Чем выше освещённость, тем чаще повторяется описанный выше процесс.

По сути, мы имеем релаксационный генератор – преобразователь освещенности в частоту.

В практической схеме частота следования импульсов тока составляет единицы герц на рассвете и в сумерки, до десятков килогерц при максимальной освещенности, что обеспечивает широкий динамический диапазон работоспособности контроллера.

Принципиальная схема контроллера представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема контроллера солнечной панели.

Поскольку ранее мы подробно разобрали алгоритм работы контроллера, то остановимся только на нескольких моментах.

  • Схема гарантированно работоспособна с 12-вольтовыми солнечными панелями мощностью от 40 Вт до 100 Вт, имеющими напряжение холостого хода не более 22 В, номинальное напряжение, соответствующее точке максимальной мощности 17-18 В, и номинальный ток 2…8 А.
     
  • Компаратор U1-2 срабатывает при напряжении на аккумуляторной батарее выше 14.4 вольт, принудительно ограничивая длительность импульсов зарядного тока, что предотвращает перезаряд аккумулятора.
     
  • Питание компаратора и источника опорного напряжения производится с выхода устройства, что гарантирует автоматическое отключение контроллера при отключении аккумулятора.

Чем можно заменить некоторые комплектующие

Любой из этих элементов можно заменять. При установке других схем нужно подумать об изменении емкости конденсатора С2 и подборе смещения транзистора Q3.

Вместо транзистора MOSFET можно установить любой другой. Элемент должен иметь низкое сопротивление открытого канала. Диод Шоттки лучше не заменять. Можно установить обычный диод, но его нужно правильно разместить.

Резисторы R8, R10 равны 92 кОм. Такое значение нестандартное. Из-за этого такие резисторы найти сложно. Их полноценной заменой может быть два резистора с 82 и 10 кОм. Их нужно включать последовательно.



Схема контроллера солнечной панели

Принципиальная схема мощного регулятора зарядного тока

За напряжением на батарее следит специальное устройство (компаратор), которое представляет собой не что иное, как обычный усилитель с очень большим коэффициентом усиления. Действительно, компаратор, включенный в схему, представленную на рис. 3, можно использовать как операционный усилитель.

Компаратор сравнивает два напряжения—измеряемое и опорное, подаваемое на его входы. На инвертирующий вход компаратора (—) подается опорное напряжение со стабилитрона D2. Этим напряжением задается уровень срабатывания устройства.

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 3

Напряжение батареи делится резисторами R1, и R2 так, чтобы оно приблизительно равнялось напряжению стабилизации диода D2. Напряжение, поделенное резисторами, подается на неинвертирующий вход (+) компаратора с движка потенциометра точной настройки порога переключения.

Если напряжение аккумуляторной батареи уменьшится настолько, что сигнал на неинвертирующем входе опустится ниже предела, определяемого диодом D2, на выходе компаратора установится отрицательное напряжение. Если же напряжение батареи поднимается выше опорного, на выходе компаратора установится положительное напряжение. Переключение знака напряжения на выходе компаратора и будет обеспечивать необходимое регулирование зарядного тока.

Зарядный ток регулируется с помощью электромагнитного реле. Реле управляется через транзистор Q1 выходным напряжением компаратора. Отрицательное напряжение на выходе компаратора означает, что батарея разряжена и требуется полный зарядный ток (транзистор Q1 закрыт). Следовательно, коллекторный ток равен нулю и реле выключено.

Нормально замкнутые контакты реле шунтируют токоограничительный резистор Rs. Когда реле выключено, резистор исключен из цепи и полный ток от солнечных элементов поступает на аккумуляторную батарею.

С увеличением степени заряженности возрастает напряжение на аккумуляторной батарее. Выделение газа начинается, когда напряжение достигнет 12,6 В. Компаратор, настроенный на этот уровень, переключается (на выходе компаратора — плюс). Транзистор открывается, и коллекторный ток включает реле. Контакты реле, шунтировавшие резистор Rs, размыкаются.

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 4

Теперь зарядный ток от солнечных элементов должен преодолеть сопротивление ограничивающего резистора. Номинал этого резистора выбирается таким, чтобы величина зарядного тока составила 2 % от емкости батареи. В таблице на рис. 4 представлены значения Rs в зависимости от емкости аккумуляторной батареи.

Вблизи напряжения переключения компаратора имеется некоторая неопределенность. Пусть, например, напряжение на батарее поднялось до 12,6 В, превысив порог срабатывания. В обычных условиях при этом изменится выходное напряжение компаратора, сработает реле и уменьшится зарядный ток. Однако выходное напряжение аккумуляторной батареи зависит? не только от степени заряженности, но и от других факторов, и поэтому не так уж и редко наблюдается небольшое снижение напряжения после выключения большого зарядного тока. Вполне вероятно, например, снижение напряжения на несколько сотых долей вольта (до 12,55 В). Как в этом случае будет работать схема?

Очевидно, что компаратор переключится обратно и восстановится режим большого зарядного тока. Поскольку напряжение на аккумуляторной батарее очень близко к 12,6 В, то резкий рост тока несомненно вызовет скачок напряжения до уровня, превышающего 12,6 В. В результате реле снова выключится.

В этих условиях будет происходить переключение компаратора туда и обратно вблизи напряжения срабатывания. Для исключения этого нежелательного эффекта, называемого «рысканием», в усилитель вводится небольшая положительная обратная связь с помощью резистора R4, создающая гистерезисную зону нечувствительности.

При наличии гистерезиса для срабатывания компаратора требуется большее изменение напряжения, чем раньше. Как и прежде, компаратор переключится при 12,6 В, но для его возвращения в исходное состояние напряжение на аккумуляторной батарее должно снизиться до 12,5 В. Тем самым колебательный эффект исключается.

Последовательное включение диода D1 в зарядную цепь предохраняет аккумуляторную батарею от разряда через солнечные элементы в темное время суток (ночью). Этот диод предотвращает также потребление энергии регулятором заряда от аккумуляторной батареи. Регулятор полностью питается от солнечных элементов. В регулятор заряда введено индикаторное устройство, предназначенное для отображения режима работы регулятора в любой момент времени. Хотя индикатор не является необходимой частью устройства (регулятор будет работать и без него), тем не менее его наличие повышает удобство работы с регулятором.

Индикаторное устройство (рис. 3) состоит из двух компараторов и двух светоизлучающих диодов (СД). Инвертирующий вход одного компаратора и неинвертирующий — другого соединены со стабилитроном, вырабатывающим опорное напряжение. Остальные входы компараторов соединены с выходом компаратора, управляющего зарядным током.

Верхний компаратор срабатывает и включает светодиод СД1, когда регулятор работает в режиме большого зарядного тока. Если регулятор переключается в режим подпитывающего тока, верхний компаратор выключается, а нижний срабатывает и включает светодиод СД2.

Регулятор заряда монтируется на печатной плате (рис. 5), размещение компонентов схемы на которой показано на рис. 6. Особое внимание следует обратить на размещение полупроводниковых элементов (во избежание ошибочного подключения выводов). Законченная схема размещается в любом (желательно водонепроницаемом)’ рорпусе. Для этих целей вполне подойдет небольшая пластмассовая коробочка.

Если корпус непрозрачен, для индикации режимов работы следует просверлить в его крышке отверстие для светодиодов. Необходимо также сделать отверстие сбоку корпуса для вывода соединительных проводников,

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 5

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 6

Описанный регулятор может управлять зарядным током около 5 А. Его величина ограничивается свойствами контактор используемого электромагнитного реле.

Контакты реле рассчитаны на ток до ЗА, и вполне естественным является вопрос, почему рекомендовано использовать их до 5 А. Этому можно дать следующее объяснение. Когда контакты размыкают цепь, между ними обычно возникает небольшая электрическая дуга. Дуга приводит к явлениям, аналогичным электросварке, и на поверхности контактов появляются выемки. Чем больше протекающий ток, тем сильнее воздействие электрической дуги.

Для предотвращения подобного процесса в схеме описываемого регулятора контакты реле зашунтированы небольшим сопротивлением. Поэтому значительная часть энергии поглощается резистором, а не рассеивается в электрической дуге. Таким образом контакты, не разрушаясь, могут регулировать токи, превышающие номинальный.

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис, 7

Если требуется увеличить регулируемый ток, в схеме необходимо использовать более мощное реле, включаемое контактами слаботочного реле, как это показано на рис. 7.

Для установки второго реле в рисунок печатной платы необходимо внести соответствующие изменения.

Начните со снятия перемычек, идущих к контактам реле. Тем самым контакты отключаются от токоограничивающего резистора. Теперь используйте эти контакты для управления более мощным реле. Необходимо также заменить диод D1 и токоограничительный резистор Rs на диод и резистор, выдерживающие большие токи. Разумнее разместить оба этих элемента вне платы рядом с реле, поскольку они рассеивают больше тепла, чем прежние элементы схемы. Аккумуляторную батарею и солнечные элементы соедините непосредственно с мощным реле с помощью толстых проводников, а с помощью тонких проводников подайте питание на схему регулятора с положительного вывода солнечных элементов.

Возможен такой случай, когда электрической энергии небольшой солнечной батареи не хватит даже для питания реле. Тогда реле можно просто заменить транзистором. С этой целью можно убрать реле RL1 и управляющий им транзистор Q1 и подключить к резистору Rs p-n-p транзистор, а его базу — к резистору R5.

На рис. 8 приведена электрическая схема после полной модификации.

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 8

Когда напряжение на выходе компаратора положительно, транзистор включен и полный зарядный ток течет к батарее. Когда регулятор переключается в режим подпитывающего заряда, напряжение на выходе компаратора становится отрицательным, транзистор запирается и зарядный ток теперь течет только через резистор Rs в обход транзистора.

Преимущество данной схемы перед релейной в том, что ее работа не ограничивается напряжением 12 В. Устройство может регулировать зарядку батарей, рассчитанных на напряжения 3—30 В. Конечно, необходимо изменить номиналы резисторов R1 и R2 и тип диода D2, чтобы сблизить значения напряжения, падающего на потенциометре ѴR1 и опорного на стабилитроне. Ток ограничивается значением около 250 мА,

Регуляторы заряда аккумуляторных батарей

Рис. 9

Радиатором, позволяющим отвести избыточное тепло от используемого транзистора, служит сама печатная плата. Теплоотводящая площадка формируется с обратной стороны платы и не требует никакой изоляции. Для подключения регулятора необходимо сделать только четыре соединения. Два — к положительному и отрицательному выводам солнечной батареи и два соответственно к положительному и отрицательному зажимам аккумуляторной батареи. После установки регулятора в зарядное устройство необходимо откалибровать схему и, в частности, отрегулировать ее чувствительность к изменению напряжения так, чтобы ток переключался в нужный момент Для этого сначала пусть батарея слегка разрядится. Затем движок потенциометра VR1 поворачивается по часовой стрелке до упора 1). При этом контакты реле замкнутся.

Напряжение на батарее по мере подзаряда контролируется о помощью вольтметра. Когда оно достигнет 12,6 В, движок потенциометра VR1 вращается в обратную сторону до тех пор, пока не выключится реле. Это будет соответствовать «подпитывающему» заряду. К сожалению, зарядное напряжение батареи зависит и от ее температуры. Чем холоднее батарея, тем большее напряжение требуется для заряда. Тем самым изменяется пороговое напряжение, при котором должен срабатывать регулятор. График на рис. 9 показывает зависимость напряжения срабатывания от температуры.

Ошибкой в установке напряжения срабатывания можно в принципе пренебречь. Если температура батареи во время заряда будет относительно стабильной и положительной, что можно обеспечить тем или иным способом, например хорошо укрыв ее, то небольшие температурные изменения практически не повлияют на работу регулятора.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Adblock
detector