AVT5598 – 12V solární nabíječka

Fotovoltaické moduly jsou stále levnější, a proto jsou stále populárnější. S úspěchem je lze použít k nabíjení baterií například ve venkovském domě nebo elektronické meteostanici. Popisované zařízení je regulátor nabíjení uzpůsobený pro práci se vstupním napětím, které se mění ve velmi širokém rozsahu. Může to být užitečné na místě, v kempu nebo kempu.

1. Schéma solární nabíječky

Systém slouží k nabíjení olověného akumulátoru (například gelového) v režimu buffer, tzn. po dosažení nastaveného napětí začne nabíjecí proud klesat. Díky tomu je baterie vždy v pohotovostním režimu. Napájecí napětí nabíječky se může měnit v rozmezí 4 ... 25 V.

Možnost využívat silné i slabé sluneční světlo výrazně prodlužuje dobu nabíjení za den. Nabíjecí proud je vysoce závislý na vstupním napětí, ale toto řešení má výhody oproti pouhému omezení přepětí ze solárního modulu.

Obvod nabíječky je znázorněn na Obr. 1. Zdroj stejnosměrného proudu je topologický konvertor SEPIC založený na levném a známém systému MC34063A. Funguje v typické roli klíče. Pokud je napětí přiváděné do komparátoru (pin 5) příliš nízké, začne vestavěný tranzistorový spínač pracovat s konstantní náplní a frekvencí. Provoz se zastaví, pokud toto napětí překročí referenční napětí (obvykle 1,25 V).

Převodníky topologie SEPIC, schopné jak zvyšovat, tak snižovat výstupní napětí, mnohem častěji využívají regulátory, které dokážou měnit výplň klíčovacího signálu. Použití MC34063A v této roli je málo častým řešením, ale - jak ukázalo testování prototypu - pro tuto aplikaci postačující. Dalším kritériem byla cena, která je v případě MC34063A výrazně nižší než u PWM regulátorů.

Dva kondenzátory C1 a C2 zapojené paralelně se používají ke snížení vnitřního odporu napájecího zdroje, jako je fotovoltaický modul. Paralelní zapojení snižuje výsledné parazitní parametry jako je odpor a indukčnost. Rezistor R1 slouží k omezení proudu tohoto procesu na cca 0,44 A. Vyšší proud může způsobit přehřátí integrovaného obvodu. Kondenzátor C3 nastavuje pracovní frekvenci na cca 80 kHz.

Tlumivky L1 a L2 a výsledná kapacita kondenzátorů C4-C6 jsou voleny tak, aby převodník mohl pracovat ve velmi širokém rozsahu napětí. Paralelní zapojení kondenzátorů mělo snížit výsledné ESR a ESL.

Dioda LED1 slouží k testování funkčnosti regulátoru. Pokud ano, pak se proměnná složka napětí ukládá na cívce L2, což lze pozorovat podle svitu této diody. Zapíná se stisknutím tlačítka S1, aby po celou dobu nesmyslně nesvítil. Rezistor R3 omezuje svůj proud na cca 2 mA a D1 chrání LED diodu před poruchou způsobenou nadměrným vypínacím napětím. Pro lepší stabilitu převodníku při nízké spotřebě proudu a nízkém napětí je přidán rezistor R4. Absorbuje část energie, kterou cívka L2 dodává zátěži. Ovlivňuje účinnost, ale je malá - efektivní hodnota proudu, který jím prochází, je jen několik miliampérů.

Kondenzátory C8 a C9 vyhlazují zvlnění proudu přiváděného přes diodu D2. Odporový dělič R5-R7 nastavuje výstupní napětí na přibližně 13,5V, což je správné napětí na svorkách 12V gelové baterie při provozu s vyrovnávací pamětí. Toto napětí by se mělo mírně měnit s teplotou, ale tato skutečnost byla vynechána, aby byl systém jednoduchý. Tento odporový dělič zatěžuje připojenou baterii neustále, proto by měl mít co nejvyšší odpor.

Kondenzátor C7 snižuje zvlnění napětí pozorované komparátorem a zpomaluje odezvu zpětnovazební smyčky. Bez něj může při odpojení baterie výstupní napětí překročit bezpečnou hodnotu pro elektrolytické kondenzátory, tedy uniknout. Přidání tohoto kondenzátoru způsobí, že systém čas od času přestane spínat klíč.

Nabíječka je osazena na jednostranné desce plošných spojů o rozměrech 89 × 27 mm, jejíž montážní schéma je na Obr. obrázek 2. Všechny prvky jsou v pouzdrech s průchozími otvory, což je velká pomoc i pro lidi, kteří nemají s páječkou příliš zkušeností. Doporučuji nepoužívat IC zásuvku, protože to zvýší odpor spojení se spínacím tranzistorem.

2. Schéma instalace solární nabíječky

Správně smontované zařízení je okamžitě připraveno k provozu a nevyžaduje žádné uvedení do provozu. V rámci řízení můžete na jeho vstup přivést konstantní napětí a regulovat jej v daném rozsahu 4 ... 20 V, při dodržení údajů voltmetru připojeného k výstupu. Měl by měnit pilový zub v rozsahu přibližně 18 ... 13,5 V. První hodnota souvisí s nabíjením kondenzátorů a není kritická, ale při 13,5 V by měl převodník opět fungovat.

Nabíjecí proud závisí na aktuální hodnotě vstupního napětí, protože vstupní proud je omezen na přibližně 0,44 A. Měření ukázala, že nabíjecí proud baterie se pohybuje od přibližně 50 mA (4 V) do přibližně 0,6 A.A při napětí 20 V. Tuto hodnotu můžete snížit zvýšením odporu R1, což je někdy vhodné pro baterie s malou kapacitou (2 Ah).

Nabíječka je uzpůsobena pro práci s fotovoltaickým modulem o jmenovitém napětí 12 V. Na jejích výstupech mohou být napětí až 20 ... 22 V s malým proudovým odběrem, proto jsou instalovány kondenzátory přizpůsobené napětí 25 V na vstupu měniče.Ztráty jsou tak vysoké, že se baterie téměř nenabíjí.

Pro plné využití výhod nabíječky připojte modul s výkonem 10 W nebo více. S menším výkonem se bude baterie také nabíjet, ale pomaleji.

Seznam součástí:

Rezistory:

R1: 0,68 Ohm / 1 W.

R2: 180 Ohm / 0,25 W.

R3: 6,8 kΩ / 0,25 W

R4: 2,2 kΩ / 0,25 W

R5: 68 kΩ / 0,25 W

R6: 30 kΩ / 0,25 W

R7: 10 kΩ / 0,25 W

Kondenzátory:

C1, C2, C8, C9: 220 μF/25 V

C3: 330 pF (keramika)

C4…C6: 2,2 μF/50 V (MKT R = 5 mm)

C7: 1 μF / 50 V (monolitický)

Polovodiče:

D1: 1H4148

D2: 1H5819

LED1: 5mm LED, např. zelená

US1:MC34063A(DIP8)

jiný:

J1, J2: ARK2/5mm konektor

L1, L2: Tlumivka 220uH (vertikální)

S1: mikrospínač 6×6/13mm