Solar Charge Controller för 100 Ah batteri

Denna omfattande sol laddningsregulator är utformad för att effektivt ladda ett stort 12 V 100 Ah batteri med maximal effektivitet. Solcellsladdaren är praktiskt taget idiotsäker när det gäller batteriladdning, kortslutning eller över nuvarande förhållanden.

Nyckelelementen i denna 100 Ah solregulator krets är uppenbarligen solpanelen och (12 V) batteriet. Batteriet här fungerar som en energilagringsenhet.

DC-lampor med låg spänning och sådant kan köras direkt från batteriet, medan a kraftomvandlare kan manövreras för att omvandla direkt batterispänning till 240 V AC.

Ändå är alla dessa applikationer i allmänhet inte ämnet för detta innehåll, som fokuserar på ansluta ett batteri med en solpanel . Det kan verka för frestande att ansluta en solpanel direkt till batteriet för laddning, men det rekommenderas aldrig. En lämplig laddningsregulator är avgörande för att ladda batterier från en solpanel.

Den primära vikten för laddningsregulatorn är att minska laddningsströmmen i topp solljus när solpanelen resurserar högre mängder ström utöver batteriets nödvändiga nivå.

Detta blir viktigt eftersom laddning med hög ström kan leda till kritisk skada på batteriet och säkert kan minska batteriets livslängd.

Utan laddningsregulator, risken för överladdning av batteriet är vanligtvis överhängande, eftersom solpanelens nuvarande effekt direkt bestäms av bestrålningsnivån från solen eller mängden infallande solljus.

I huvudsak hittar du ett par metoder för att styra laddningsströmmen: genom serieregulator eller en parallellregulator.

Ett serieregulatorsystem är vanligtvis i form av en transistor som introduceras i serie mellan solpanelen och batteriet.

Den parallella regulatorn är i form av a 'shunt' regulator monteras parallellt med solpanelen och batteriet. De 100 Ah regulator förklaras i detta inlägg är faktiskt en parallell typ solregulatorregulator.

Nyckelfunktionen i en shuntregulator är att det inte kräver stora mängder ström förrän batteriet är fulladdat. Praktiskt taget är dess egen strömförbrukning så mindre att den inte kan ignoreras.

När batteriet är fulladdat emellertid försvinner överskottet till värme. Specifikt i större solpaneler kräver den höga temperaturen en relativt stor struktur för regulatorn.

Tillsammans med dess verkliga syfte, en anständig laddningsregulator ger dessutom säkerhet på många sätt, tillsammans med ett skydd mot djup urladdning av batteriet, och elektronisk säkring och en pålitlig säkerhet mot polaritetsåterföring för batteriet eller solpanelen.

Helt enkelt för att hela kretsen drivs av batteriet genom en fel polaritetsskyddsdiod, D1, fortsätter sol laddningsregulatorn att fungera normalt även om solpanelen inte levererar ström.

Kretsen använder den oreglerade batterispänningen (korsning D2-R4) tillsammans med en extremt exakt referensspänning på 2,5 V. som genereras med zenerdiod D5.

Eftersom laddningsregulatorn i sig fungerar perfekt med en ström som är lägre än 2 mA, laddas batteriet knappt under natten eller när himlen är grumlig.

Den minimala strömförbrukningen av kretsen uppnås genom att använda kraft-MOSFET-typ BUZ11, T2 och T3, vars omkoppling är spänningsberoende, vilket gör att de kan fungera vid praktiskt taget noll drivkraft.

Den föreslagna sol laddningskontroll för 100 Ah batteri övervakar batteriet spänningen och reglerar ledningsnivån för transistorn T1.

Ju större batterispänning, desto högre blir strömmen som passerar via T1. Som ett resultat blir spänningsfallet runt R19 högre.

Denna spänning över R19 blir portomkopplingsspänningen för MOSFET T2, vilket får MOSFET att växla hårdare och tappar dess avlopp-till-källmotstånd.

På grund av detta laddas solpanelen tyngre vilket försvinner överflödet genom R13 och T2.

Schottky-dioden D7 skyddar batteriet från oavsiktlig omkastning av + och - terminalerna på solpanelen.

Denna diod stoppar dessutom strömflöde från batteriet till solpanelen om panelspänningen faller under batterispänningen.

Hur regulatorn fungerar

Kopplingsschemat för 100 Ah-solcelleladdningsregulatorn kan ses i figuren ovan.

De primära elementen i kretsen är ett par 'tunga' MOSFETs och en fyrdubbla op amp IC.

Funktionen för denna IC kan delas in i tre sektioner: spänningsregulatorn byggd runt IC1a, batteriöverladdningsstyrenheten konfigurerad runt IC1d och den elektroniska Kortslutningsskydd ansluten runt IC1c.

IC1 fungerar som huvudkontrollkomponenten, medan T2 fungerar som ett anpassningsbart effektmotstånd. T2 tillsammans med R13 beter sig som en aktiv belastning vid solpanelens utgång. Regulatorns funktion är ganska enkel.

En variabel del av batterispänningen appliceras på den icke-inverterande ingången på styrförstärkaren IC1a genom spänningsdelaren R4-P1-R3. Som diskuterats tidigare appliceras 2,5-V-referensspänningen på inverterarens inverterande ingång.

Arbetsförfarandet för solreglering är ganska linjärt. IC1a kontrollerar batterispänningen och så snart den når full laddning slår den på T1, T2, vilket orsakar en växling av solspänningen via R13.

Detta säkerställer att batteriet inte överbelastas eller överladdas av solpanelen. Delarna IC1b och D3 används för att indikera batteriladdningstillståndet.

LED-lampan tänds när batterispänningen når 13,1 V och när laddningsprocessen startas.

Hur skyddsfaserna fungerar

Opamp IC1d är inställd som en komparator för att övervaka svagt batteri spänningsnivå och säkerställa skydd mot djup urladdning och MOSFET T3.

Batterispänningen sjunker allra första proportionellt ner till cirka 1/4 av det nominella värdet med resistiv delare R8 / R10, varefter den jämförs med en referensspänning på 23 V erhållen via D5. Jämförelsen utförs av IC1c.

De potentiella delningsmotstånden väljs så att utgången från IC1d sjunker ned när batterispänningen sjunker under ett ungefärligt värde på 9 V.

MOSFET T3 hämmar och skär därefter marklänken över batteriet och lasten. På grund av den hysteres som genereras av R11-återkopplingsmotståndet ändras inte komparatorn förrän batterispänningen har nått 12 V igen.

Elektrolytkondensatorn C2 hindrar djupurladdningsskyddet från att aktiveras av momentana spänningsfall på grund av till exempel inkoppling av en massiv belastning.

Kortslutningsskyddet som ingår i kretsen fungerar som en elektronisk säkring. När en kortslutning av misstag inträffar stänger den av batteriet.

Detsamma implementeras också genom T3, som visar den avgörande tvillingfunktionen hos MOSFET T13. Inte bara fungerar MOSFET som en kortslutningsbrytare, dess dränering-till-källkorsning spelar dessutom sin roll som ett datormotstånd.

Spänningsfallet som genereras över detta motstånd skalas ned med R12 / R18 och appliceras därefter på den inverterande ingången på komparatorn IC1c.

Även här används den exakta spänningen från D5 som referens. Så länge kortslutningsskyddet förblir inaktivt fortsätter IC1c att ge en 'hög' logisk utgång.

Denna åtgärd blockerar D4-ledning, så att IC1d-utgången enbart bestämmer T3-grindpotentialen. Ett grindsspänningsområde på cirka 4 V till 6 V uppnås med hjälp av resistiv delare R14 / R15, vilket möjliggör att ett tydligt spänningsfall upprättas över T3-avloppet till källkorsningen.

När lastströmmen når sin högsta nivå stiger spänningsfallet snabbt tills nivån är tillräckligt för att växla IC1c. Detta gör att dess produktion blir logisk låg.

På grund av detta aktiveras nu dioden D4, vilket gör att T3-grinden kan kortslutas till marken. På grund av detta stängs MOSFET nu av och stoppar nuvarande flöde. R / C-nätverket R12 / C3 bestämmer reaktionstiden för den elektroniska säkringen.

En relativt trög reaktionstid ställs in för att undvika felaktig aktivering av den elektroniska säkringsoperationen på grund av tillfällig tillfällig hög strömökning i lastströmmen.

LED D6 används dessutom som 1,6 V-referens, vilket säkerställer att C3 inte kan ladda över denna spänningsnivå.

När kortslutningen tas bort och lasten lossas från batteriet urladdas C3 gradvis genom lysdioden (det kan ta upp till 7 sekunder). Eftersom den elektroniska säkringen är utformad med ett ganska trögt svar, betyder det inte att lastströmmen kommer att nå för höga nivåer.

Innan den elektroniska säkringen kan aktiveras uppmanar T3-grindspänningen MOSFET att begränsa utströmmen till den punkt som bestäms genom inställningen av förinställd P2.

För att säkerställa att inget brinner eller frites har kretsen dessutom en standardsäkring, F1, som är ansluten i serie med batteriet och ger försäkran om att en trolig nedbrytning i kretsen inte skulle utlösa en omedelbar katastrof.

Som en ultimat defensiv sköld har D2 inkluderats i kretsen. Denna diod skyddar ingångarna IC1a och IC1b mot skador på grund av en oavsiktlig anslutning av omvänd batteri.

Välja solpanel

Att välja en lämplig solpanel är naturligtvis beroende av batteriets Ah-betyg som du tänker arbeta med.

Sol laddningsregulatorn är i grunden utformad för solpaneler med en måttlig utspänning på 15 till 18 volt och 10 till 40 watt. Dessa typer av paneler blir vanligtvis lämpliga för batterier mellan 36 och 100 Ah.

Eftersom solladdningsregulatorn är specificerad för att ge en optimal strömförbrukning på 10 A, kan solpaneler med en effekt på 150 watt väl användas.

Solcellsladdningsregulatorns krets kan också användas i väderkvarnar och med andra spänningskällor, förutsatt att ingångsspänningen ligger inom området 15-18 V.

Det mesta av värmen släpps ut genom den aktiva belastningen, T2 / R13. Det behöver inte sägas att MOSFET bör kylas effektivt genom en kylfläns och R13 bör klassas tillräckligt för att motstå extremt höga temperaturer.

R13 watt måste överensstämma med solpanelens betyg. I (extrema) scenariot när en solpanel är ansluten med en utan belastning utgångsspänning på 21 V, och även en kortslutningsström på 10 A, i ett sådant scenario T2 och R13 börjar sprida en effekt motsvarande spänningen skillnad mellan batteriet och solpanelen (cirka 7 V) multiplicerat med kortslutningsströmmen (10 A), eller helt enkelt 70 watt!

Detta kan faktiskt inträffa när batteriet är helt laddat. Majoriteten av kraften släpps genom R13, eftersom MOSFET då erbjuder ett mycket lågt motstånd. Värdet på MOSFET-motståndet R13 kunde snabbt bestämmas genom följande Ohms lag:

R13 = P x I^två= 70 x 10^två= 0,7 ohm

Denna typ av extrem solpanelutgång kan dock verka ovanlig. I prototypen för solladdningsregulatorn hade ett motstånd på 0,25 Ω / 40 W applicerats bestående av fyra parallellt anslutna motstånd på 1Ω / 10 W. Den nödvändiga kylningen för T3 beräknas på samma sätt.

Om vi ​​antar att den högsta utgångsströmmen är 10 A (som kan jämföras med ett spänningsfall på cirka 2,5 V över avloppskällans övergång), måste en maximal avledning på cirka 27 W utvärderas.

För att garantera adekvat kylning av T3 även vid höga bakgrundstemperaturer (t.ex. 50 ° C) måste kylflänsen använda ett termiskt motstånd på 3,5 K / W eller mindre.

Delarna T2, T3 och D7 är anordnade vid en viss sida av kretskortet, vilket underlättar att de enkelt kan fästas till en gemensam kylfläns (med isoleringskomponenter).

Förlusten av dessa tre halvledare måste alltså inkluderas, och vi vill i så fall ha en kylfläns med en termisk specifikation på 1,5 K / W eller högre. Den typ som beskrivs i reservdelslistan uppfyller denna förutsättning.

Hur man ställer in

Tack och lov är 100 Ah-batteriets solregulatorkrets ganska lätt att installera. Uppgiften kräver dock ett par (reglerade) strömförsörjningar .

En av dem justeras till en utspänning på 14,1 V och kopplas till batterikablarna (betecknad 'accu') på kretskortet. Den andra strömförsörjningen måste ha en strömbegränsare.

Denna matning justeras till solpanelens öppna kretsspänning (till exempel 21 V, som i det tidigare angivna tillståndet), och kopplas till spadterminalerna betecknade en 'celler'.

När vi justerar P1 på rätt sätt bör spänningen sjunka till 14,1 V. Var inte orolig för detta, eftersom strömbegränsaren och D7 garanterar att absolut ingenting kan gå dåligt!

För en effektiv justering av P2 måste du arbeta med en belastning som är lite högre än den mest tunga belastningen som kan uppstå vid utgången. Om du vill extrahera maximalt från denna design, försök välja en lastström på 10 A.

Detta kan åstadkommas med hjälp av ett belastningsmotstånd på 1Ω x120 W, som till exempel består av 10 motstånd på 10Ω / 10 W parallellt. Förinställd P2 är i början snurrad till 'Maximum' (torkare mot R14).

Därefter fästs lasten till de ledningar som anges som 'belastning' på kretskortet. Finjustera P2 långsamt och försiktigt tills du når den nivå där T3 bara stängs av och stänger av lasten. Efter avlägsnandet av lastmotstånden kan lastkablarna kortslutas tillfälligt för att testa att den elektroniska säkringen fungerar korrekt.

PCB-layouter

Dellista

Motstånd:
RI = 1k
R2 = 120k
R3, R20 = 15k
R4, R15, R19 = 82k
R5 = 12k
R6 = 2,2k
R7, R14, R18, R21 = 100k
R8, R9 = 150k
R10 = 47k
R11 = 270k
R12, R16 = 1M
R13 = se text
R17 = 10k
P1 = 5k förinställd
P2 = 50k förinställd
Kondensatorer:
Cl = 100nF
C2 = 2,2uF / 25V radiell
C3 = 10uF / 16V
Halvledare:
D1, D2, D4 = 1N4148
D3,136 = LED röd
D5 = LM336Z-2.5
D7 = BYV32-50
T1 = BC547
T2, T3 = BUZ11
IC1 = TL074
Diverse:
F1 = säkring 10 A (T) med kretskortshållare
8 spadeterminaler för skruvmontering
Kylfläns 1.251VW