Cum se realizează un circuit de optimizare a panoului solar

Circuitul optimizator solar propus poate fi utilizat pentru obținerea puterii maxime posibile în termeni de curent și tensiune de la un panou solar, ca răspuns la condițiile variate ale luminii solare.

Câteva circuite simple, dar eficiente, de încărcare a optimizatorului de panouri solare sunt explicate în această postare. Primul poate fi construit folosind câteva 555 IC-uri și alte câteva componente liniare, al doilea optin este chiar mai simplu și folosește IC-uri foarte obișnuite, cum ar fi LM338 și op amp IC 741. Să învățăm procedurile.

Obiectivul circuitului

După cum știm cu toții, dobândirea eficienței celei mai mari din orice formă de alimentare devine fezabilă dacă procedura nu implică manevrarea tensiunii de alimentare, ceea ce înseamnă că dorim să dobândim nivelul de tensiune necesar și curentul maxim necesar pentru sarcina care este funcționând fără a perturba nivelul sursei de tensiune și fără a genera căldură.

Pe scurt, un optimizator solar în cauză ar trebui să permită ieșirea cu curentul maxim necesar, orice nivel mai scăzut de tensiune necesară, asigurându-se totuși că nivelul de tensiune de pe panou rămâne neafectat.

O metodă discutată aici implică tehnica PWM care poate fi considerată una dintre metodele optime până în prezent.

Ar trebui să fim recunoscători acestui mic geniu numit IC 555, care face ca toate conceptele dificile să arate atât de ușor.

Utilizarea IC 555 pentru conversia PWM

Și în acest concept încorporăm și depindem în mare măsură de câteva IC 555 pentru implementarea necesară.

Privind schema de circuit dată, vedem că întregul design este împărțit în două etape.

Etapa regulatorului de tensiune superioară și etapa inferioară a generatorului PWM.

Etapa superioară constă dintr-un mosfet cu canal p care este poziționat ca un comutator și răspunde la informațiile PWM aplicate la poarta sa.

Etapa inferioară este o etapă generator PWM. Câteva 555 IC-uri sunt configurate pentru acțiunile propuse.

Cum funcționează circuitul

IC1 este responsabil pentru producerea undelor pătrate necesare, care este procesată de generatorul de unde triunghiulare de curent constant care cuprinde T1 și componentele asociate.

Această undă triunghiulară este aplicată IC2 pentru procesare în PWM-urile necesare.

Cu toate acestea, distanța PWM de la IC2 depinde de nivelul de tensiune la pinul său # 5, care este derivat dintr-o rețea rezistivă de-a lungul panoului prin rezistorul 1K și presetarea 10K.

Tensiunea dintre această rețea este direct proporțională cu variația volților panoului.

În timpul tensiunilor de vârf, PWM-urile devin mai largi și invers.

PWM-urile de mai sus sunt aplicate la poarta mosfet care conduce și furnizează tensiunea necesară bateriei conectate.

După cum sa discutat anterior, în timpul vârfului de soare, panoul generează un nivel mai ridicat de tensiune, tensiune mai mare înseamnă IC2 care generează PWM-uri mai largi, care la rândul lor menține mosfe-ul oprit pentru perioade mai lungi sau pornit pentru perioade relativ mai scurte, corespunzând unei valori medii de tensiune care ar putea să fie doar în jur de 14,4 V la bornele bateriei.

Atunci când strălucirea soarelui se deteriorează, PWM-urile sunt distanțate proporțional, permițând mosfetului să conducă mai mult, astfel încât curentul și tensiunea medie pe baterie tinde să rămână la valorile optime.

Presetarea de 10K ar trebui să fie reglată pentru a trece în jur de 14,4V peste terminalele de ieșire sub soare puternic.

Rezultatele pot fi monitorizate în diferite condiții de lumină solară.

Circuitul de optimizare a panoului solar propus asigură o încărcare stabilă a bateriei, fără a afecta sau manevra tensiunea panoului, ceea ce are ca rezultat și o generare mai mică de căldură.

Notă: Panoul de conectare conectat ar trebui să poată genera cu 50% mai multă tensiune decât bateria conectată la vârful soarelui. Curentul ar trebui să fie 1/5 din clasa AH a bateriei.

Cum se configurează circuitul

1. Se poate face în modul următor:
2. Mențineți inițial S1 oprit.
3. Expuneți panoul la soare maxim și reglați presetarea pentru a obține tensiunea optimă de încărcare necesară pe ieșirea diodului de scurgere a mosfetului și la sol.
4. Circuitul este pregătit acum.
5. Odată ce ați făcut acest lucru, porniți S1, bateria va începe să se încarce în cel mai bun mod optimizat posibil.

Adăugarea unei funcții de control curent

O investigație atentă a circuitului de mai sus arată că, în timp ce MOSFET încearcă să compenseze nivelul de tensiune al panoului în cădere, acesta permite bateriei să extragă mai mult curent din panou, ceea ce afectează tensiunea panoului, scăzând-o mai jos, inducând o situație de fugă, acest lucru poate împiedica grav procesul de optimizare

O caracteristică de control al curentului, așa cum se arată în următoarea diagramă, rezolvă această problemă și interzice bateriei să treacă curent excesiv dincolo de limitele specificate. La rândul său, acest lucru ajută la menținerea tensiunii panoului neafectate.

RX, care este rezistorul de limitare a curentului, poate fi calculat cu ajutorul următoarei formule:

RX = 0,6 / I, unde I este curentul minim de încărcare specificat pentru bateria conectată

O versiune brută, dar mai simplă, a designului explicat mai sus poate fi construită așa cum a sugerat domnul Dhyaksa utilizând detectarea pragului pin2 și pin6 al IC555, întreaga diagramă poate fi asistată mai jos:

Fără optimizare fără un convertor Buck

Proiectarea explicată mai sus funcționează utilizând un concept de bază PWM care a ajustat automat PWM-ul unui circuit bazat pe 555 ca răspuns la intensitatea solară în schimbare.

Deși ieșirea din acest circuit produce un răspuns de auto-reglare pentru a menține o tensiune medie constantă la ieșire, tensiunea de vârf nu este ajustată niciodată, ceea ce o face considerabil periculoasă pentru încărcarea bateriilor de tip Li-ion sau Lipo.

Mai mult, circuitul de mai sus nu este echipat pentru a converti tensiunea în exces de la panou într-o cantitate proporțională de curent pentru sarcina nominală de tensiune mai mică conectată.

Adăugarea unui convertor Buck

Am încercat să rectific această condiție adăugând o etapă de conversie buck la designul de mai sus și am putut produce o optimizare care arăta foarte asemănător cu un circuit MPPT.

Cu toate acestea, chiar și cu acest circuit îmbunătățit, nu am putut fi complet convins dacă circuitul este cu adevărat capabil să producă o tensiune constantă cu un nivel de vârf redus și un curent sporit ca răspuns la diferitele niveluri de intensitate a soarelui.

Pentru a fi pe deplin încrezător în ceea ce privește conceptul și pentru a elimina toate confuziile, a trebuit să trec printr-un studiu exhaustiv cu privire la convertoarele buck și relația implicată între tensiunile de intrare / ieșire, curent și raporturile PWM (ciclu de funcționare), care au inspirat să creez următoarele articole conexe:

Cum funcționează convertizoarele Buck

Calculul tensiunii, curentului într-un inductor Buck

Formulele de încheiere obținute din cele două articole de mai sus au ajutat la clarificarea tuturor îndoielilor și, în cele din urmă, aș putea fi perfect încrezător în circuitul meu de optimizare solară propus anterior folosind un circuit convertizor buck.

Analiza stării ciclului de funcționare PWM pentru proiectare

Formula fundamentală care a clarificat lucrurile în mod clar poate fi văzută mai jos:

Vout = DVin

Aici V (in) este tensiunea de intrare care vine de la panou, Vout este tensiunea de ieșire dorită de la convertorul buck și D este ciclul de funcționare.

Din ecuație devine evident că Vout poate fi simplu adaptat prin „fie” controlul ciclului de funcționare al convertorului buck sau al Vin .... sau cu alte cuvinte, parametrii Vin și ciclul de funcționare sunt direct proporționați și se influențează reciproc valorile liniar.

De fapt, termenii sunt extrem de liniari, ceea ce face ca dimensionarea unui circuit de optimizare solară să fie mult mai ușoară folosind un circuit convertizor buck.

Aceasta implică faptul că atunci când Vin este mult mai mare (@ vârf de soare) decât specificațiile de încărcare, procesorul IC 555 poate face PWM-urile proporțional mai înguste (sau mai largi pentru dispozitivul P) și influența Vout-ul să rămână la nivelul dorit și invers ca soarele scade, procesorul poate lărgi (sau restrânge pentru dispozitivul P) PWM-urile din nou pentru a se asigura că tensiunea de ieșire este menținută la nivelul constant specificat.

Evaluarea implementării PWM printr-un exemplu practic

Putem dovedi cele de mai sus rezolvând formula dată:

Să presupunem că tensiunea de vârf a panoului V (in) este de 24V

iar PWM să fie format dintr-un timp de pornire de 0,5 secunde și timp de OFF de 0,5 secunde

Ciclul de funcționare = Timp de pornire tranzistor / Timp impuls ON + OFF = T (pornit) / 0,5 + 0,5 sec

Ciclul de funcționare = T (pornit) / 1

Prin urmare, înlocuind cele de mai sus în formula dată mai jos, obținem,

V (out) = V (in) x T (pornit)

14 = 24 x T (activat)

unde 14 este tensiunea de ieșire necesară presupusă,

prin urmare,

T (pornit) = 14/24 = 0,58 secunde

Acest lucru ne oferă timpul de pornire al tranzistorului care trebuie setat pentru circuit în timpul vârfului de soare pentru a produce 14v necesari la ieșire.

Cum functioneaza

Odată ce cele de mai sus sunt setate, restul ar putea fi lăsat pentru ca IC 555 să proceseze pentru perioadele T (pornite) de auto-reglare așteptate ca răspuns la soarele în scădere.

Acum, odată cu scăderea soarelui, timpul de pornire de mai sus ar fi crescut (sau scăzut pentru dispozitivul P) proporțional de circuit într-un mod liniar pentru a asigura o constantă de 14V, până când tensiunea panoului scade cu adevărat la 14V, când circuitul ar putea doar închideți procedurile.

Parametrul curent (amplificator) poate fi, de asemenea, presupus a fi auto-reglabil, care încearcă întotdeauna să obțină constanta produsului (VxI) pe tot parcursul procesului de optimizare. Acest lucru se datorează faptului că un convertor Buck ar trebui întotdeauna să convertească intrarea de înaltă tensiune într-un nivel de curent crescut proporțional la ieșire.

Totuși, dacă sunteți interesat să fiți complet confirmat cu privire la rezultate, puteți consulta articolul următor pentru formulele relevante:

Calculul tensiunii, curentului într-un inductor Buck

Acum să vedem cum arată circuitul final proiectat de mine, din următoarele informații:

După cum puteți vedea în diagrama de mai sus, diagrama de bază este identică cu circuitul de încărcare solar auto-optimizator anterior, cu excepția includerii IC4, care este configurat ca următor de tensiune și este înlocuit în locul etapei de urmărire a emițătorului BC547. Acest lucru se face pentru a oferi un răspuns mai bun pentru pinul de control IC2 pin # 5 de pe panou.

Rezumând funcționarea de bază a Solar Optimizer

Funcționarea poate fi revizuită după cum se arată în: IC1 generează o frecvență de undă pătrată la aproximativ 10kHz care ar putea fi mărită la 20kHz prin modificarea valorii C1.

Această frecvență este alimentată la pinul 2 al IC2 pentru fabricarea undelor triunghiulare cu comutare rapidă la pinul 7 cu ajutorul T1 / C3.

Tensiunea panoului este reglată corespunzător de P2 și este alimentată în etapa de urmărire a tensiunii IC4 pentru alimentarea pinului 5 al IC2.

Acest potențial la pinul 5 al IC2 din panou este comparat cu pinul # 7 unde triunghiulare rapide pentru crearea datelor PWM dimensionate corespunzător la pinul 3 al IC2.

La vârful strălucirii solare, P2 este ajustat corespunzător, astfel încât IC2 să genereze cele mai largi PWM posibile și, pe măsură ce strălucirea soarelui începe să scadă, PWM-urile se îngustează proporțional.

Efectul de mai sus este alimentat la baza unui PNP BJT pentru inversarea răspunsului pe etapa de convertor atașată.

Implică faptul că, la vârful soarelui, PWM-urile mai largi forțează dispozitivul PNP să conducă puțin {perioadă de timp T (pornită) redusă, provocând forme de undă mai înguste să ajungă la inductorul buck ... dar din moment ce tensiunea panoului este mare, nivelul tensiunii de intrare {V (in)} atingerea inductorului buck este egal cu nivelul de tensiune al panoului.

Astfel, în această situație, convertorul buck cu ajutorul calculatului corect T (pornit) și al V (în) este capabil să producă tensiunea de ieșire necesară corectă pentru sarcină, care ar putea fi mult mai mică decât tensiunea panoului, dar la un nivel de curent (amplificator) proporțional crescut.

Acum, pe măsură ce strălucirea soarelui scade, PWM-urile devin, de asemenea, mai înguste, permițând PNP T (pornit) să crească proporțional, ceea ce, la rândul său, ajută inductorul buck să compenseze soarele în scădere ridicând proporțional tensiunea de ieșire ... curentul (amplificator) ) factorul acum se reduce proporțional în cursul acțiunii, asigurându-se că consistența de ieșire este perfect menținută, de către convertorul buck.

T2 împreună cu componentele asociate formează etapa de limitare curentă sau etapa de amplificare a erorii. Se asigură că sarcina de ieșire nu are voie să consume nimic peste specificațiile nominale ale proiectului, astfel încât sistemul să nu fie niciodată zgomotos și performanțele panoului solar să nu fie niciodată permise să devieze din zona sa de înaltă eficiență.

C5 este prezentat ca un condensator 100uF, cu toate acestea, pentru un rezultat îmbunătățit, acesta ar putea fi mărit la valoarea 2200uF, deoarece valorile mai mari vor asigura un control mai bun al curentului de ondulare și o tensiune mai lină pentru sarcină.

P1 este pentru reglarea / corectarea tensiunii de offset a ieșirii opamp, astfel încât pinul 5 să poată primi un zero volți perfect în absența unei tensiuni a panoului solar sau când tensiunea panoului solar este sub specificațiile tensiunii de sarcină.

Specificația L1 poate fi aproximativ stabilită cu ajutorul informațiilor furnizate în următorul articol:

Cum se calculează inductoarele în circuitele SMPS

Solar Optimizer folosind amplificatori op

Un alt circuit de optimizare solar foarte simplu dar eficient poate fi realizat prin utilizarea unui IC LM338 și a câtorva opamp-uri.

Să înțelegem circuitul propus (optimizator solar) cu ajutorul următoarelor puncte: Figura prezintă un circuit regulator de tensiune LM338 care are o caracteristică de control al curentului, de asemenea, sub forma tranzistorului BC547 conectat prin reglare și pinul de masă al IC.

Opamps utilizate ca comparatoare

Cele două opamps sunt configurate ca comparatoare. De fapt, multe astfel de etape pot fi încorporate pentru îmbunătățirea efectelor.

În prezentul design, presetarea A1 a pinului 3 este reglată astfel încât ieșirea A1 să crească atunci când intensitatea strălucirii soarelui peste panou este cu aproximativ 20% mai mică decât valoarea de vârf.

În mod similar, stadiul A2 este ajustat astfel încât ieșirea sa crește atunci când soarele este cu aproximativ 50% mai mic decât valoarea de vârf.

Când ieșirea A1 crește, RL # 1 declanșează conectarea R2 în linie cu circuitul, deconectând R1.

Inițial la vârful strălucirii soarelui, R1 a cărui valoare este selectată mult mai mică, permite curentului maxim să ajungă la baterie.

Diagrama circuitului

Când soarele scade, tensiunea panoului scade și ea, iar acum nu ne putem permite să tragem curent puternic din panou, deoarece aceasta ar reduce tensiunea sub 12V, ceea ce ar putea opri în întregime procesul de încărcare.

Comutare releu pentru optimizarea curentă

Prin urmare, așa cum s-a explicat mai sus, A1 intră în acțiune și deconectează R1 și conectează R2. R2 este selectat la o valoare mai mare și permite doar o cantitate limitată de curent la baterie, astfel încât tensiunea solară să nu se prăbușească sub 15 voturi, nivel care este imperativ necesar la intrarea LM338.

Când lumina soarelui scade sub al doilea prag setat, A2 activează RL # 2, care la rândul său comută R3 pentru a face curentul la baterie și mai mic, asigurându-vă că tensiunea la intrarea LM338 nu scade niciodată sub 15V, dar rata de încărcare la bateria este menținută întotdeauna la cele mai apropiate niveluri optime.

Dacă etapele opamp sunt crescute cu un număr mai mare de relee și acțiuni ulterioare de control curent, unitatea poate fi optimizată cu o eficiență și mai bună.

Procedura de mai sus încarcă bateria rapid la curent mare în timpul apariției soarelui de vârf și scade curentul pe măsură ce scade intensitatea soarelui peste panou și, în mod corespunzător, furnizează bateriei curentul nominal corect, astfel încât să se încarce complet la sfârșitul zilei.

Ce se întâmplă cu o baterie care nu poate fi descărcată?

Să presupunem că în cazul în care bateria nu este descărcată în mod optim pentru a trece prin procesul de mai sus în dimineața următoare, situația poate fi fatală pentru baterie, deoarece curentul inițial ridicat ar putea avea efecte negative asupra bateriei, deoarece este încă descărcat la nivelul specificat evaluări.

Pentru a verifica problema de mai sus, sunt introduse încă câteva opamp-uri, A3, A4, care monitorizează nivelul de tensiune al bateriei și inițiază aceleași acțiuni ca și A1, A2, astfel încât curentul la baterie să fie optimizat în raport cu tensiunea sau nivelul de încărcare prezent cu bateria în acea perioadă de timp.