Solarna ładowarka akumulatorów 12V – stabilizator równoległy (opis, schematy, montaż)

Wydajność prądowa panelu fotowoltaicznego nie może być większa niż katalogowy maksymalny prąd ładowania współpracującego akumulatora I_MAX (0,1C do 0,3C). Przykładowo, aby bezpiecznie ładować akumulator C=10Ah i I_MAX=0,2C, maksymalny prąd z fotoogniw nie może być większy niż 2A.

Opis układu - solarna ładowarka akumulatorów 12V

Działanie równoległego kontrolera ładowania można zobaczyć na rysunku 1. Gdy napięcie akumulatora jest mniejsze niż napięcie Zenera DZ (zakładając zerowy spadek napięcia na diodzie D), cały prąd z fotoogniw ładuje akumulator. Wartość napięcia akumulatora powoli wzrasta, by po osiągnięciu napięcia diody Zenera DZ ustabilizować się.

Rys.1 Równoległy kontroler ładowania

Wtedy prąd akumulatora samoczynnie spada, a nadmiar prądu z fotoogniw jest przejmowany przez DZ. Mamy tu odmianę stabilizatora równoległego i DZ powinna mieć możliwość rozproszenia całej mocy maksymalnej. Przebiegi na rysunku 2 pokazują fazy ładowania.

Rys.2 Przebiegi pokazujące fazy ładowanie - równoległy kontroler ładowania

Schemat ideowy widoczny jest na rysunku 3. Ładowarka ma cztery wyprowadzenia do podłączenia akumulatora. Bez zwór Z1 i Z2 przez przewody pomiarowe płynie jedynie niewielki prąd dzielnika pętli sprzężenia i spadki napięcia na przewodach prądowych są kompensowane. Kompromisowe umieszczenie bezpiecznika F1 sprawia, że jego rezystancja nie jest kompensowana. Połączenie czteroprzewodowe, mimo zalet, przy większych odległościach zwiększa możliwość potencjalnej awarii (w przypadku przerwania któregoś z przewodów). Pod względem awaryjności korzystniejsze jest połączenie dwuprzewodowe, które wymaga wlutowania zwór Z1 i Z2.

Rys.3 Schemat ideowy - równoległy kontroler ładowania

Funkcję diody D, zapobiegającej rozładowywaniu akumulatora, pełnią tranzystory T1, T2, T3 wraz z elementami towarzyszącymi, przez co straty wyznaczane są tylko przez spadek napięcia na R_DSON T1 (R_DSON=20mΩ dla IRF4905) i na rezystancji przewodów. Moc tracona w T1, wynosząca P=I²*R_DSON, jest sporo niższa od strat na diodzie Schottky’ego przewodzącej taki sam prąd.

Zasadę działania takiej „MOSFET-owej” diody ilustruje rysunek 4. Potencjał na bazach T2, T3 jest zawsze mniejszy o 0,7V od napięcia o wyższej wartości (na drenie lub źródle T1). Napięcie na źródle jest wyższe od potencjału drenu, gdy taka „dioda” spolaryzowana jest zaporowo (A). Bazy T2, T3 znajdują się na potencjale niższym o 0,7V od napięcia na źródle T1. Napięcie U_BE T2 jest niewystarczające do jego otwarcia. Napięcie U_BE T3 (0,7V) powoduje przepływ prądu przez jego bazę.

Rys.4 Zasada działania diody 'MOSFET-owej'

Przewodzący T3 za tyka T1, łącząc źródło z jego bramką. Odwrotna sytuacja jest przy polaryzacji w kierunku przewodzenia (B). Bazy T2, T3 są na potencjale mniejszym o 0,7V od napięcia na drenie T1. Zatkany jest T3 (niewystarczające do otwarcia napięcie U_BE), a T2 przewodzi, zaświecając czerwoną LED D4, sygnalizującą polaryzację przepustową T1.

Otwarty jest T1, którego bramka jest połączona z masą przez rezystor R8. Zaświecenie D4 jest informacją, że fotoogniwa są wystarczająco oświetlone, by mógł z nich popłynąć prąd ładowania. Dioda Zenera D1 uniemożliwia przekroczenie napięcia U_GSMAX T1 poza katalogową wartość dopuszczalną. Ograniczenie prądu bramki T1 zapewnia rezystor R4.

Zastąpienie DZ (z rysunku 1) precyzyjnym wzmacniaczem błędu U1 (TL431) i MOSFET-em mocy T4 pozwala uzyskać dużą stabilność i precyzję napięcia końcowego. Programowana dioda Zenera U1 przypomina swym działaniem tranzystor NPN, o napięciu U_BE = 2,495V = U_REF. Działanie stabilizatora polega na takim otwieraniu T4, by napięcie na dzielniku R3, R5, P1 było równe napięciu odniesienia U_REF U1. Ustala się taki stan równowagi, by napięcie z dzielnika było równe U_REF. Dołączenie pętli sprzężenia zwrotnego za „diodą” T1 umożliwia kompensację jej spadku napięcia. Układ jest więc odpowiednikiem precyzyjnej diody Zenera dużej mocy.

Zastosowane w ładowarce MOSFET-y z kanałem P umożliwiły realizację układu, z „niedzieloną” masą systemu ładowania, co często jest istotne. W wersji o mocy do 30...40W ze zworą zamiast rezystora mocy RL, tranzystor T4 może być montowany bez pośrednictwa zwiększającej rezystancję cieplną podkładki izolacyjnej, ponieważ jego dren (wkładka radiatorowa) będzie wtedy połączony z masą.

Włączenie między dren T4 a masę zewnętrznego obciążenia RL (zestawu rezystorów dużej mocy – grzałek) umożliwia zwiększenie mocy układu ładowarki do ok.70W. W takim przypadku konieczne jest zastosowanie podkładki izolacyjnej między radiatorem a tranzystorem mocy.

Gdy akumulator nie jest ładowany a fotoogniwa pracują, MOSFET T4 dzięki „potężnej” obudowie TO247AC jest w stanie rozproszyć dość dużą moc fotoogniw. Rozproszenie mocy P=30W przy zastosowanym typie T4 (T_J=150°C, R_THJC=0,83°C/W, R_THCR=0,24°C/W) wymaga sporego radiatora. Różnicę temperatur między złączem i radiatorem dla mocy traconej równej P_MAX=30W określa wzór: ΔT_CR=P_MAX*(R_THJC+R_THCR) i wynosi ΔT_CR=30*1,07=32,1°C.

Dla pesymistycznego przypadku temperatury otoczenia T_A=75°C (upalny dzień, regulator zamontowany w mało przewiewnej skrzynce, oczywiście akumulator znajduje się w temperaturze dużo niższej umożliwiającej bezpieczne ładowanie, np. jest w studzience) różnica temperatur między złączem i otoczeniem ΔT_JA=T_J–T_A wynosi 150–75=75°C.

Zapas różnicy temperatur między radiatorem i otoczeniem (ΔT_R=ΔT_JA–ΔT_CR) wyniesie ΔT_R=75– 32=43°C. Do odprowadzenia ciepła wymagany jest zatem radiator o rezystancji termicznej (R_THR=ΔT_R/P_MAX) mniejszej niż 43/30=1,4°C/W. Ograniczeniem, „wąskim gardłem” IRFP9240 jest jego rezystancja R_THJC oraz temperatura maksymalna złącza T_J. Dla wersji z zewnętrznymi rezystorami dużej mocy RL w powyższych rachunkach należy uwzględnić rezystancję termiczną wymaganej w takim przypadku podkładki izolacyjnej pod T4.

Rys.5 Proces ładowania - stosunek mocy traconej w T4 oraz RL

W procesie ładowania stosunek mocy traconej w T4 oraz RL nie jest stały. Jak przedstawia rysunek 5, wariant, gdzie moc tracona jest w T4 i w RL (B), pozwala na podwojenie mocy ładowania w stosunku do wersji z T4 bez „wspomagania” (A). Proste na dolnych wykresach reprezentują wartości maksymalnych strat, jakie może rozproszyć zastosowany w prototypie radiator (R_THR=1,1k/W), zależnie od temperatury otoczenia T_A i rezystancji termicznej R_THCR (ze smarem i podkładkami izolacyjnymi).

Wartość rezystancji obciążenia można obliczyć ze wzoru: RL[Ω]=U_RL[V]/I_PV[A], gdzie: U_RL – wymagany spadek napięcia na obciążeniu, I_PV – maksymalny prąd fotoogniwa. Wartość U_RL, jaką należy przyjąć, powinna być mniejsza od minimalnego napięcia końcowego akumulatora dla najwyższej przewidywanej temperatury akumulatora (z uwzględnieniem współczynnika korekcyjnego). Bezpieczny spadek napięcia na RL (U_RL), jaki należy przyjąć do obliczeń, to około 11...12V.

Wartość zamienianej na ciepło mocy w RL jest relatywnie duża, dlatego powinien to być zestaw zewnętrznych rezystorów. Przy obliczaniu ich rezystancji należy koniecznie uwzględnić rezystancje przewodów łączących z ładowarką. Chociaż jako T4 mógłby pracować darlington mocy PNP, to zastosowanie tranzystora MOSFET w tej roli „zwalnia” U1 ze sterowania prądowego (nie ma prądu bazy). Wartość rezystora R2 zapewnia prąd zasilania większy niż wymagany (1mA) do poprawnej pracy U1.

Gdy T4 nie przewodzi (napięcie akumulatora nie osiągnęło progu końcowego), napięcie na R2 jest mniejsze od napięcia przewodzenia U_F LED D2, która nie świeci. Napięcie U_DS (2...4V) przewodzącego T4 jest wystarczające, aby popłynął prąd przez R1 i LED D2. Zaświecona D2 informuje, że układ przeszedł do trybu stabilizacji napięcia i napięcie na akumulatorze osiągnęło próg końcowy ładowania. Ponieważ po osiągnięciu napięcia końcowego ładowania przez akumulator płynie jeszcze (zmniejszający się) prąd ładowania, świecenie D2 nie informuje o jego faktycznym naładowaniu.

Rys.6 Działanie korekcji temperaturowej napięcia końcowego

Źródło prądowe U2 z rezystorem R6 realizuje korekcję temperaturową napięcia końcowego. U2 (LM234) to czujnik temperatury – źródło prądowe o dodatnim współczynniku temperatury, który ma mierzyć temperaturę ładowanego akumulatora. Działanie korekcji przedstawia rysunek 6. Proporcjonalnie do wzrostu temperatury (A) zwiększa się wartość prądu Iz ze źródła U2 i odkłada się większy spadek napięcia na R_B, tj. R5, P1 na schemacie ideowym.

Dla układu z zamkniętą pętlą sprzężenia jest to sygnał, by tak zmniejszyć napięcie VCC, aby prąd I_A rezystora R_A (R3 na schemacie ideowym) zmniejszyć o wartość przyrostu prądu I_Z źródła U2 (prąd I_Z źródła U2 się nie zmienia przy zmianie napięcia VCC) i utrzymać napięcie na R_B równe referencyjnemu U_REF. Odwrotnie (B), spadek temperatury powoduje proporcjonalne zmniejszenie prądu I_Z i U1 zwiększa napięcie U_DZ, by zwiększyć prąd I_A o ubytek prądu I_Z źródła, tj. utrzymać sumę prądów płynących przez R_B tak, by spadek na nim był równy napięciu referencyjnemu.

Korekcja temperaturowa polega na utrzymywaniu na R_B stałego spadku napięcia U_REF=2,495V. W prototypie przyjęto napięcie końcowe U_BAT=13,6V w temperaturze T_BAT=20°C oraz często zalecany przez producentów akumulatorów współczynnik zmian napięcia końcowego równy T_C=–18mV/°C (parametry dla pracy buforowej).

Jako T_BAT do dalszych obliczeń należy przyjąć temperaturę, dla jakiej producent akumulatora podaje wartość napięcia końcowego (dla pracy cyklicznej lub buforowej) ładowania U_BAT (VCC na rysunku) podaną w kelwinach T_BAT[°K]=T_BAT[°C]+273,15. Wartość stabilizowanego przez U2 prądu wyznacza rezystor R_Z (R6) według zależności: I_Z=227uV/R_Z*T_BAT. Wzór jest słuszny dla zakresu prądów od 2uA do 1mA.

Prąd źródła prądowego nie powinien też być zbyt duży, by nie podgrzewać U2. Wartość R_Z (w prototypie R6=240Ω) wyznacza pośrednio prąd całego dzielnika, który ze względu na możliwość przenikania zakłóceń nie powinien być zbyt mały. Przyjęta kompromisowa wartość prądu dzielnika w prototypie to około 1mA. Wartość R_A wynika z wyrażenia R_A=|R_Z*T_C/227uV|, natomiast płynący przez niego prąd wynosi I_A=(U_BAT – U_REF)/R_A. Założenie, że prąd rezystora RB wynosi I_B=I_Z+I_A, pozwala obliczyć jego wartość z równania R_B=U_REF/ I_B.

Jako R3, R6 należy zastosować metalizowane, jednoprocentowe, precyzyjne rezystory o wartościach jak najbardziej zbliżonych do obliczonych. Suma wartości R5+P1 powinna być większa od obliczonej o 10 do 20%, a stosunek R5/P1 nie większy jak 5/1. Powyższe obliczenia obarczone są błędem wynikającym z nieuwzględnienia prądu końcówki referencyjnej U1.

Odchyłki można skompensować dobrej jakości potencjometrem P1, bez istotnego wpływu na współczynnik korekcji T_C. Można również zrezygnować z P1 (wlutować zworę) i dobrać R5, uwzględniając zmiany napięcia końcowego wynikające ze starzenia się elementów. Oczywiście możliwa jest rezygnacja z korekcji temperaturowej. Nie należy wówczas podłączać czujnika U2 i nie montować R6, a rezystory pętli tj. R3, R5, P1 odpowiednio przeliczyć.

Mimo że większość paneli fotowoltaicznych ma diodę zabezpieczającą połączoną równolegle do wyprowadzeń, to w układzie zastosowano dodatkowo ośmioamperową diodę D3, która wraz z bezpiecznikiem F1 stanowi (praktycznie przetestowane) zabezpieczenie przed odwrotnym dołączeniem akumulatora. Kondensator C3 został dodany po testach prototypu. Stromy impuls napięciowy powstały przy podłączeniu klemy akumulatora do ładowarki zasilanej z silnie oświetlonych ogniw powodował zbyt szybkie otwieranie T4.

W konsekwencji napięcie na T4 było niższe od napięcia akumulatora i pracujący jako dioda T1 nie był otwierany, co oznaczało brak przepływu prądu ładowania. Identyczna sytuacja występowała przy dołączeniu silnie oświetlonego panelu do złącza J1. Wyjście z tego stanu „zatrzaśnięcia” możliwe było przez odłączenie i ponowne złącza J3 lub zasłonięcie i ponowne odsłonięcie fotoogniw. Dodanie C3 skutecznie likwiduje dyskwalifikującą regulator wadę.

Ładowarka solarna - równoległy kontroler ładowania

Montaż i uruchomienie - solarna ładowarka akumulatorów

Mozaika jednowarstwowego obwodu drukowanego widoczna jest na rysunku 7. W prototypie zastosowany został radiator Stonecold SSRTH-22U przeznaczony do montażu przekaźników półprzewodnikowych mocowanych na szynie DIN 35mm. Jego rezystancja termiczna jest mniejsza od pesymistycznej (T_A=75°C), obliczonej w poprzednim śródtytule wartości maksymalnej (R_THR<1,4°C/W) i wynosi ≈1,1°C/W, zapewniając tym spory zapas.

Rys.7 Ładowarka solarna - mozaika jednowarstwowego obwodu drukowanego

W pierwszej kolejności należy wywiercić i nagwintować otwór w radiatorze według rysunku 8. Radiator fabrycznie ma wywiercone i nagwintowane otwory 1, 3. Do przykręcenia T4 należy wywiercić i nagwintować (M3) jedynie otwór 2, w czym może być pomocna płytka drukowana wstępnie przykręcona do radiatora. Montaż elementów w uprzednio sprawdzony druk warto rozpocząć od wlutowania jednej zwory.

W celu minimalizacji naprężeń mechanicznych T4 należy poświęcić więcej uwagi. Jest on montowany na PCB od strony lutowania (wkładką radiatorową na zewnątrz). Po ukształtowaniu wyprowadzeń T4 tak, by pasowały w otwory PCB, należy go przykręcić (wstępnie) do PCB, by następnie przylutować jego wyprowadzenia. Ze względu na niewielką moc traconą przez T1 (≈0,5...1W przy 5A) należy go przylutować „na leżąco” od strony elementów (wkładką radiatorową do PCB). T2 i T3 trzeba wlutować tak, by ich obudowy się stykały, zapewniając tym sprzężenie termiczne.

Można je „sprzęgnąć” termicznie „termokurczką” lub odpowiednio ukształtowanym paskiem blachy miedzianej (tak by nie zewrzeć wyprowadzeń). Montaż pozostałych elementów nie wymaga komentarza. Ścieżki, którymi płyną znacznej wartości prądy, zostały pozbawione warstwy przeciwlutowniczej i koniecznie wymagają zwiększenia przekroju przez nałożenie stopu lutowniczego. Rezygnacja z czteroprzewodowego połączenia z akumulatorem na korzyść dwuprzewodowego wymaga połączenia zwór Z1, Z2 (pod złączem J3) kroplami spoiwa.

Rys.8 Ładowarka solarna - wiercenia i gwintowania otwórów w radiatorze

Zmontowaną płytkę należy przykręcić do radiatora, rozpoczynając od solidnego przykręcenia (śrubą M3) T4, koniecznie z zastosowaniem pasty termoprzewodzącej. Jeżeli układ będzie pracował z dodatkowym zewnętrznym obciążeniem (rezystorami) RL, wymagane jest zastosowanie podkładki izolacyjno-termoprzewodzącej pod T4. W przeciwnym wypadku można zrezygnować z podkładki, co zmniejszy rezystancję termiczną złącze otoczenie. Dwie pozostałe śruby mocujące PCB (M4) trzeba przykręcić, podkładając między radiator a PCB metalowe tuleje dystansowe (h=5mm).

Szczegóły montażu oraz wymiary siatki osłony (obudowy) wykonanej z blachy duralowej obrazuje rysunek 9. Korzyść wynikająca z pozornej komplikacji gięć i tłoczeń polega na tym, że tak wykonana obudowa mocowana jest zatrzaskowo, tj. bez użycia śrub. Przy odrobinie chęci taką obudowę można wykonać przy użyciu niewyszukanych narzędzi. Szczegóły widoczne są na fotografiach. Ładowany akumulator nie powinien być podgrzewany ciepłem radiatora. Przekroje przewodów połączeniowych powinny być stosowne do wartości płynących przez nie prądów. Na ich końcach od strony złączy J1...J3 warto zacisnąć końcówki (tulejki) zaciskowe, a od strony akumulatora stosowne konektory.

Rys.9 Szczegóły montażu oraz wymiary siatki obudowy

Ze względu na bardzo duże prądy zwarciowe akumulatora (możliwość powstania pożaru) zastosowanie bezpiecznika F1 jest bezwzględną koniecznością.

F1 powinien być montowany jak najbliżej dodatniego zacisku akumulatora, a jego wartość zależna jest od prądu panelu fotowoltaicznego. Czujnik temperatury powinien mierzyć temperaturę akumulatora i być zabezpieczony przed wpływem wilgoci.

Podczas prób prototyp został zamocowany do stelaża testowego, zbudowanego z łączników (okuć) używanych w stolarce dachowej, umożliwiającego stabilny montaż akumulatora oraz urządzeń pomocniczych mocowanych na szynie DIN 35mm.

Uruchomienie sprowadza się do podłączenia do wejścia przez rezystor 100Ω/0,25W napięcia 17V z zasilacza regulowanego oraz woltomierza do konektorów przeznaczonych do podłączenia akumulatora. Przy regulacji potrzebny będzie termometr do pomiaru temperatury przy czujniku U2. Potencjometrem P1 należy ustawić wartość napięcia na wiązce akumulatora, co odpowiada ustawieniu napięcia końcowego ładowania.

Wartość ustawianego napięcia należy obliczyć, uwzględniając współczynnik temperaturowy T_C (przy elementach jak na schemacie –18mV/°C) oraz temperaturę czujnika U2 (w czasie regulacji) według wzoru U_X=U_BAT+(T_C*(T_BAT–T_AMB)), gdzie U_BAT, napięcie końcowe zalecane przez producenta akumulatora w temperaturze T_BAT (zwykle 13,65V dla pracy buforowej),T_AMB – temperatura otoczenia (akumulatora).

Właściwą korektę napięcia końcowego należy przeprowadzić w docelowych warunkach pracy, czyli podczas ładowania akumulatora. Zmieniając wartość dołączonego napięcia, sprawdzić reakcję LED sygnalizacyjnych D2, D3, która powinna być zgodna z opisem w poprzednim śródtytule.

Jeżeli tak jest, układ można uznać za uruchomiony. Przy braku ładowania układ ładowarki pobiera z akumulatora jedynie ≈1,5mA prądu, co jest znikomą wartością w stosunku do prądu samorozładowania.

Przy pracy w trudnych warunkach plenerowych, gdy temperatury mogą spadać poniżej zera, ważne jest zastosowanie wersji U1, U2, dla których producent gwarantuje poprawną pracę w temperaturach ujemnych – odpowiednio TL431AIZ i LM234 zamiast „zwykłego” LM334. Zaniedbanie to nierzadko widać na schematach układów przeznaczonych do pracy w szerszym niż pokojowa zakresie temperatur, gdzie często można np. zauważyć popularny LM358 (gwarantowana poprawna praca od 0°C!) zamiast LM258.

Inną sprawą jest możliwość ładowania akumulatora żelowego lub AGM poniżej 0°C. Dane na ten temat wydają się niespójne, bo jak rozumieć podawane jednocześnie parametry (w tej samej nocie katalogowej akumulatora): dolny próg temperatury ładowania równy 0°C i współczynniki korekcyjne napięcia końcowego ładowania dla temperatur dużo poniżej 0°C? Zastrzeżenia budzi też podawana wartość, do jakiej spada prąd po naładowaniu.

W niektórych notach jest ona identyczna dla obu napięć końcowych, czyli dla pracy buforowej i cyklicznej (o mniejszej wartości, takiej jak dla pracy buforowej sic!). Sugerowałoby to, że można pozostawić akumulator w ładowarce na dowolnie długi czas z ustawionym „cyklicznym” napięciem końcowym bez możliwości jego przeładowania. Czy to błąd, czy też zabieg marketingowy zmniejszający trwałość akumulatora, zweryfikować mogą jedynie praktyczne pomiary konkretnego egzemplarza.

W Elportalu dostępna jest rozszerzona wersja artykułu z dodatkowymi wyjaśnieniami i fotografiami.