Jak zbudować solarną ładowarkę akumulatorów litowych z wyjściem 5V? - opis, schematy, montaż

Dzięki zastosowaniu gotowych modułów, kupionych na portalu aukcyjnym, opisany układ może uruchomić nawet początkujący elektronik. Zmontowane urządzenie pokazane jest na fotografii tytułowej.

Jaki panel fotowoltaiczny do ładowarki akumulatorów litowych z wyjściem 5V?

Do ładowania akumulatora wykorzystano panel fotowoltaiczny o mocy 5W, znamionowym napięciu Vmpp 16,5V i prądzie Impp 0,3A. Maksymalny prąd zwarciowy wynosi 0,34A, a maksymalne napięcie bez obciążenia 21V. Powierzchnia panelu fotowoltaicznego wynosi 25×35 cm. Maksymalną sprawność ogniwa uzyskuje się, gdy moc generowana przez ogniwo jest największa – panel pracuje wtedy w punkcie największej sprawności (MPP – maximum power point).

Projektując układ z panelami fotowoltaicznymi, należy pamiętać, że producenci podają ich moc w standardowych, bliskich ideału warunkach pomiarowych. Rzeczywista moc zależy jednak bardzo silnie od nasłonecznienia i zwykle stanowi tylko ułamek mocy znamionowej. Znamionową moc ogniwa w rzeczywistych warunkach eksploatacji można uzyskać tylko przez krótki fragment dnia w najbardziej słoneczne dni roku. Podawanie mocy nominalnej panelu umożliwia jednak porównywanie paneli fotowoltaicznych różnych producentów.

Rys.1 Solarna ładowarka akumulatorów litowych z wyjściem 5V - połączenia między modułami

Układ zmontowano z modułów dostępnych na portalach aukcyjnych: modułu ładowarki solarnej akumulatorów litowych na układzie CN3791, układu kontrolującego i zabezpieczającego akumulator litowy z kostką DW01 i przetwornicy podwyższającej o napięciu wyjściowym 5V, przeznaczonej do współpracy z akumulatorni litowymi. Połączenia między modułami pokazano na rysunku 1. Dodatkowe elementy i połączenia zaznaczono na schemacie ideowym kolorem niebieskim.

Sercem opisanej ładowarki jest moduł zawierający układ scalony CN3791. Podstawowy schemat aplikacyjny układu podany w karcie katalogowej (dostepnej w materiałach dodatkowych do artykułu) pokazany jest na rysunku 2.

Rys.2 Moduł zawierający układ scalony CN3791 - schemat aplikacyjny

Układ współpracuje z modułami fotowoltaicznymi dającymi napięcie wyjściowe w zakresie od 4,5V do 28V, umożliwia ładowanie akumulatorów litowych o końcowym napięciu ładowania 4,2V i maksymalnym prądzie ładowania 4A. Wykorzystany w artykule moduł może pracować tylko z panelami o maksymalnym napięciu 20V, co wynika z zastosowanego zabezpieczenia układu CN3791 przed odwrotnym podłączeniem zasilania. Jako zabezpieczenie zastosowano tranzystor MOSFET z kanałem typu P typu TPC8107 o maksymalnym napięciu przebicia bramka-źródło wynoszącym 20V, rezystancja tranzystora w stanie włączenia wynosi tylko 5,5 milioma.

MPPT - Solarna ładowarka akumulatorów litowych z wyjściem 5V 

Najważniejszą cechą układu jest wykorzystanie techniki MPPT (Maximum Power Point Tracking), która optymalizuje pracę panelu fotowoltaicznego. Prąd ładowania ogniwa ustalany jest opornikiem podłączonym do wejść 8 (CSP) – i 7 (BAT) układu CN3971. Ogniwo ładowane jest prądem nominalnym, a gdy napięcie wyjściowe osiągnie napięcie znamionowe, to na wyjściu ładowarki utrzymuje się stałe napięcie, co powoduje spadek prądu ładowania.

Głęboko rozładowane akumulatory ładowane są prądem równym 17,5% prądu nominalnego do momentu, gdy napięcie na ogniwie osiągnie 2,79V. Później akumulator ładowany jest prądem znamionowym. Gdy prąd ładowania spadnie do 16% wartości nominalnego (układ ładuje akumulator metodą „stałe napięcie”), proces ładowania akumulatora jest przerywany. Ładowanie akumulatora wznawiane jest automatycznie, gdy napięcie na nim spadnie poniżej 4,01V. Układ CN3791 przechodzi w tryb uśpienia, gdy napięcie na jego wyjściu jest niższe niż napięcie ładowanego akumulatora bądź niższe niż 3,8V.

Układ ma wbudowaną przetwornicę obniżającą napięcie (buck, step-down converter), zapewniającą wysoką sprawność ładowarki. Częstotliwość pracy przetwornicy wynosi około 300kHz. Elementem kluczującym przetwornicy jest tranzystor z kanałem MOSFET typu P o niskiej rezystancji w stanie włączenia. Układ ma dwa wejścia sygnalizacyjne, do których podłączone są diody LED: CHRG (pin 3) – czerwona dioda LED i DONE (pin 4) – zielona dioda LED. Aktywnym stanem obu wyjść sterujących diodami LED jest stan niski. W stanie nieaktywnym oba wyjścia przechodzą w stan wysokiej impedancji.

Ładowarka sygnalizuje stan swojej pracy następująco: gdy dioda podłączona do wyjścia CHRG świeci, to akumulator jest ładowany, a gdy miga dioda podłączona do wejścia CHRG i świeci ciągle lub miga dioda podłączona do wejścia DONE, to akumulator nie jest podłączony do ładowarki. Dioda CHARGE miga w tym przypadku wskutek ładowania i rozładowywania kondensatorów podłączonych do wyjścia ładowarki. Ładowanie jest zakończone, gdy świeci dioda podłączona do wejścia DONE. Obie diody nie świecą, gdy napięcie z panelu jest niższe niż 3,8V lub jest niższe niż napięcie na ładowanym akumulatorze.

Gdy układ wykryje szybkie zmiany napięcia wywołane np. wyjęciem ładowanego akumulatora, to ładowanie jest chwilowo wstrzymywane. Układ CN3791 wykorzystuje metodę stałego napięcia do ustawienia optymalnego punktu pracy ogniwa. Wartość napięcia odpowiadająca maksymalnej sprawności jest charakterystyczna dla danego panelu i w małym stopniu zależy od nasłonecznienia, ale niestety znacząco od temperatury panelu.

W tej metodzie regulator dobiera odpowiednio obciążenie panelu, aby uzyskać optymalne napięcie na panelu fotowoltaicznym. Mimo że metoda utrzymywania zadanej wartości napięcia na panelu fotowoltaicznym nie jest najbardziej efektywna, to jest często stosowana samodzielnie lub w połączeniu z innymi metodami, ze względu na prostotę realizacji. Taka metoda dobrze sprawdza się przy niskich poziomach nasłonecznienia i pozwala uzyskać sprawność przemiany energii z panelu na energię elektryczną na poziomie około 80%.

Wpływ zmian temperatury panelu na wartość napięcia MPP można skompensować za pomocą termistora typu NTC. Aby rozpocząć ładowanie akumulatora, napięcie na wejściu MPPT (pin 6) musi być wyższe od 1,23V. Używając modulacji PWM, układ CN3791 stara się zapewnić takie obciążenie panelu słonecznego, by osiągnąć i utrzymać wartość 1,205V na wejściu MPPT. Pobór prądu przez układ CN3791 w stanie czuwania wynosi 30uA dla napięcia akumulatora równego 4,2V.

Dioda Schottky’ego D1 zmniejsza prąd rozładowania akumulatora do około 9uA, gdy ogniwo fotowoltaiczne jest nieoświetlone. Bez diody prąd wzrasta tylko do kilkudziesięciu mikroamperów, więc na pozór diody tej nie trzeba stosować. Jednak przy stałym dołączeniu akumulatora i panelu zabezpiecza ona też przed „nocnym cofaniem prądu” akumulatora przez znaczną upływność panelu. Diodę D1 można pominąć (zewrzeć) tylko wtedy, gdy akumulator jest dołączany tylko na czas ładowania, a nie stale.

Obwód kompensacji podłączony do wejścia COMP zapewnia stabilność układu. Kondensatory na wejściu i wyjściu układu CN3791 zmniejszają tętnienia na wejściu i wyjściu ładowarki oraz minimalizują wpływ zmian obciążenia. W celu uzyskania dobrej stabilności napięcia na wyjściu ładowarki łączy się równolegle kondensatory ceramiczne z elektrolitycznymi o małej wartości rezystancji szeregowej (Low ESR).

W przypadku użycia samych kondensatorów ceramicznych, należy pamiętać, by ich pojemność była odpowiednio duża. Kondensatory ceramiczne stosowane w układach przetwornic, wykonane z ceramiki X7R, wykazują silne zmniejszenie pojemności ze wzrostem różnicy napięć na okładzinach kondensatora. Kondensatorów z ceramiki Y5V nie należy tu stosować ze względu na większe straty.

Autor wykorzystuje opisany układ do ładowania popularnych akumulatorów typu 18650, zabezpieczonych układem kontroli BMS typu DW01. Podłączenie modułu BMS jest typowe dla takich układów. Wykorzystując opisany układ, napotkano problem polegający na samoczynnym wyłączaniu zasilania układu przez BMS. Problemem okazało się zbyt szybkie działanie zabezpieczenia przeciwzwarciowego układu BMS.

W celu wydłużenia czasu zwłoki zadziałania przeciwzawarciowego dodano dodatkowy kondensator opóźniający, podłączony między wejście CS układu DW01 a ujemny biegun akumulatora. Od pojemności dodanego kondensatora zależy czas opóźnienia zadziałania zabezpieczenia zwarciowego. Bez tego kondensatora układ BMS często wykrywał błędnie ładowanie kondensatorów układu podłączonego do wyjścia przetwornicy jako przeciążenie ogniwa i wyłączał zasilanie układu.

W tym wypadku wznowić zasilanie układu można zwierając na chwilę piny 5 i 6 układu DW01 przyciskiem – S1. Rozwiązanie takie jest możliwe dzięki zastosowaniu opornika ograniczającego o wartości kilkuset omów podłączonego do dodatniego napięcia zasilającego układu DW01.

Ładowane ogniwo umieszczone jest w koszyku. Napięcie 5V z akumulatora uzyskiwane jest z przetwornicy podwyższającej współpracującej z akumulatorami litowymi. Zastosowana przetwornica zapewnia niski poziom tętnień, który jeszcze zmniejszono, dodając na jej wyjściu kondensator niskoimpedancyjny o pojemności 100uF. W opisanym układzie można wykorzystać dodatkowy moduł miernika z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym pokazujący poziom naładowania akumulatora oraz prąd pobierany przez układ – fotografia 3.

Fot.3 Dodatkowy moduł miernika z wyświetlaczem ciekłokrystalicznym

Autor próbował podłączyć ten moduł zgodnie z rysunkiem podłączeń dostarczonym przez sprzedawcę, ale układ nie działał – na wyświetlaczu nie pojawiły się żadne pola aktywne, przelutowano więc wszystkie luty po pokryciu ich topnikiem za pomocą gorącego powietrza – układ nadal nie działał.... wskaźnik zaczął działać dopiero po... zamianie wyprowadzeń zasilania i masy... Autor nie ma pewności, czy wszystkie wersje miernika wykazują tę cechę, czy jest to może wcześniejsze wykonanie układu z innym rozkładem podłączeń.

Kupując moduł miernika LCD, warto zakupić moduł z maskownicą wyświetlacza, która bardzo ułatwia estetyczny montaż miernika w obudowie. Opisany moduł pomiarowy pobiera około 600 mikroamperów prądu i wyposażony jest w orientacyjny wskaźnik naładowania akumulatora.

Montaż i uruchomienie solarnej ładowarki akumulatorów litowych z wyjściem 5V

Uruchomienie układu jest niezwykle proste, wystarczy połączyć moduły zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 1. Zmontowany układ pokazano na fotografii 4. Jedynymi czynnościami regulacyjnymi, jakie trzeba wykonać, jest dobranie opornika ograniczającego maksymalny prąd ładowania oraz dzielnika rezystorowego podłączonego do wejścia MPPT tak, by uzyskać na nim napięcie 1,205V.

Fot.4 Solarna ładowarka akumulatorów litowych z wyjściem 5V - zmontowany układ

Maksymalny prąd ładowania [A] należy wyliczyć ze wzoru 120/Rcs. Wartość prądu ładowania nie może być wyższa od dopuszczalnej dla danego typu akumulatora ani wyższa od wynikającej z mocy panelu. Wartości dzielnika ustalającego punkt o maksymalnej sprawności uzyskujemy, przekształcając wzór: VMPPT = 1,205×(1+R3/R4). Wartość opornika R4 powinna zawierać się w przedziale 10...20kΩ. W Elportalu w materiałach dodatkowych do artykułu zamieszczone są karty katalogowe zastosowanych układów scalonych.

Na zakończenie autor chce podziękować Waldkowi 3Z6AEF za uwagi do tego tekstu.