Monitor odnawialnego źródła energii

Idea projektu polega na przełączaniu jednego wyjścia pomiędzy trzema wejściami o różnych priorytetach. Przykładowo, najwyższy priorytet może mieć turbina wiatrowa, nieco niższy moduł fotowoltaiczny, zaś najniższy awaryjne źródło zasilania, np. akumulator lub zasilacz sieciowy. Przełączanie następuje na podstawie pomiaru napięcia panującego na każdym z wejść oraz porównania ich z zachowaniem pewnej histerezy. Napięcie na każdym aktywnym wejściu jest na bieżąco wyświetlane, tak samo, jak aktywne wejście. Masy wszystkich wejść są połączone, a przełącza się bieguny dodatnie.

Można zapytać – w czym ten układ jest lepszy od zwykłego przełącznika zbudowanego z użyciem 3 diod? Wydawać by się mogło, że jest zdecydowanie łatwiejszy do zbudowania, pewniejszy w działaniu oraz tańszy. Źródło o najwyższym napięciu wyjściowym otwiera przynależną mu diodę szeregową polaryzując pozostałe w kierunku zaporowym i już. Jednak odpowiedź nie nastręcza trudności. Po pierwsze, układ diodowy nie ma możliwości ustalenia priorytetów wejść. Przykładowo, do jednego z wejść zostanie dołączony akumulator, pełniący rolę zasilacza rezerwowego, a napięcia na pozostałych dwóch wejściach (np. z modułu fotowoltaicznego i turbiny wiatrowej) będą tylko nieznacznie niższe od tego, które ma akumulator. Wówczas odbiornik zostanie zasilony z akumulatora, powodując jego niepotrzebne rozładowywanie. Drugim powodem jest brak kontroli nad wartością napięcia. Jeżeli zasilany odbiornik może działać nieprawidłowo po podłączeniu go do zbyt niskiego napięcia, wówczas lepiej jest po prostu go wyłączyć. Prezentowany układ taką funkcję ma, o czym dalej. Kolejnym uzasadnieniem jest wygodna prezentacja aktualnych napięć występujących na wejściach oraz czytelna informacja o tym, które wejście jest aktywne. Pozwala to na szybką ocenę jakości pracy naszego systemu zasilania. W układzie diodowym wiązałoby się to z koniecznością dodania zewnętrznego modułu pomiarowego.

Budowa i zasada działania

Z racji stopnia rozbudowania, zostanie omówiona zasada funkcjonowania poszczególnych jego bloków.

Selektor wejść składa się z trzech identycznych obwodów, które obsługują każde wejście oddzielnie. Elementem wykonawczym jest tranzystor MOSFET z kanałem P, co umożliwia przełączanie dodatnich zacisków zasilających. Istotna jest tutaj możliwie niska rezystancja otwartego kanału – w IRF4905 jest ona na poziomie 20 mΩ. Powoduje to, że moc wydzielona na tym tranzystorze przy prądzie 16 A nie przekroczy 5 W. Załączenie tranzystora odbywa się poprzez dołączenie bramki do potencjału niskiego, zatem musi mieć również niewielkie napięcie progowe.

Wstawione w szereg z drenem diody dużej mocy mają za zadanie odciąć drogę powrotną dla prądu, która tworzy się przez diody wbudowane w tranzystory MOSFET. Bez nich, prąd może przepływać przez wyłączony tranzystor od wyjścia w kierunku wejścia. Dioda Zenera o napięciu przebicia 15 V chroni bramkę przed uszkodzeniem w wyniku przekroczenia maksymalnego napięcia bramka źródło (±20 V). Opornik o rezystancji 10 kΩ rozładowuje bramkę po wyłączeniu tranzystora oraz umożliwia przepływ prądu kolektora tranzystora sterującego. Stała czasowa: τ = 10 kΩ×3,4 nF = 34 μs. Rozładowanie następuje w przeciągu ok. 2,2×τ, czyli 75 μs. Nie uwzględnia to pojemności diody Zenera, czasu wychodzenia z nasycenia przez tranzystor sterujący i zatykania diody szeregowej. Dlatego przyjęto 400 μs przerwy, aby mieć pewność, że dane wejście zostanie odcięte przez podłączeniem innego. Zasilany obwód musi być odporny na tego typu zaniki.

Tranzystor sterujący pracuje w nieczęsto spotykanej dla driverów konfiguracji, ponieważ jest źródłem prądowym. Można je wyłączyć (sytuacja A) po zwarciu lewego wyprowadzenia rezystora 1 kΩ do potencjału zbliżonego do 0 V.

Po podaniu napięcia 5 V przez mikrokontroler, jego baza jest podciągana do potencjału 2,5 V. To powoduje otwarcie złącza baza-emiter, a na emiterze ustala się potencjał ok. 1,8 V względem masy. Wywołuje to przepływ prądu o natężeniu ok. 5,5 mA przez rezystor emiterowy. Maksymalnie o takiej wartości prąd (z dokładnością do pomijalnie małego prądu bazy) jest przewodzony przez kolektor, przez co potencjał bramki tranzystora MOSFET obniża się.

Sytuacja B: przy małym napięciu podawanym na wejście (do ok. 17 V), tranzystor NPN nasyca się, ponieważ dioda Zenera pozostaje zatkana i przez kolektor może płynąć tylko niewielki prąd, wynikający z obecności rezystora 10 kΩ. Gdy napięcie podniesie się (sytuacja C), dioda Zenera zacznie przewodzić i popłynie przez nią prąd o natężeniu ok. 4 mA, a pozostała część przez wspomniany już rezystor. Tranzystor wejdzie w stan aktywny i nadmiar napięcia będzie odkładał się na nim.

Parametry układu pozostaną niezmienne w szerokim zakresie napięcia wejściowego: wartość maksymalna wynosi ok. 150 V i jest ograniczona przez straty w BF422. Nawet skoki napięcia o dużej amplitudzie nie będą w stanie go uszkodzić: dopuszczalne UCE to 250 V. Wytrzymałość napięciowa układu jest ograniczona, w praktyce, maksymalnym napięciem dren-źródło tranzystorów polowych.

Warto zwrócić uwagę, że załączenie danego wejścia jest równoznaczne z zaświeceniem się przypisanej mu diody LED1-LED3. Ich kolory zostały dobrane według priorytetów wejść: zielony najwyższy, żółty średni i czerwony najniższy.

Pomiar napięcia na każdym z wejść jest mierzony za pośrednictwem dzielnika rezystancyjnego, który dopasowuje jego wartość do takiej, którą zaakceptuje przetwornik A/C w mikrokontrolerze. Żądane napięcie odkłada się na części suwaka potencjometru, a pozostała (znacząca) jego część na rezystorze szeregowym. Przyjęto, że należy wlutować rezystory R16…R18 o rezystancjach odpowiednich dla danego zakresu. Wszystkie one powinny mieć jednakową wartość. Aby regulacja potencjometrami P1…P3 działała efektywnie, dla rezystancji nominalnych ślizgacze powinny znajdować się w położeniu środkowym. Oznacza to, że przy maksymalnym mierzonym napięciu (dwukrotność zakresowego), przez ten obwód ma płynąć prąd 0,5 mA. Rezystory te mogą mieć tolerancję 5%, ponieważ kalibracja zniweluje ten błąd.

Kondensatory ceramiczne znajdujące się w otoczeniu każdego potencjometru mają za zadanie odfiltrować zaburzenia, które mogą przenosić się na wejście. Niestety, wprowadzają one pewną zwłokę: łatwo oszacować, że stała czasowa takiego układu RC to ok. 100 ms. Z tego względu, kontrola napięcia na wejściach odbywa się nie częściej, niż co 100 ms.

Diody Schottky chronią wrażliwe wejścia przetwornika A/C przed uszkodzeniem wywołanym napięciem o zbyt dużej wartości lub przeciwnej polaryzacji. Przy ustawieniu suwaka w połowie ślizgacza potencjometru, dioda dołączona do +5 V zaczyna się otwierać przy napięciu niewiele wyższym niż referencyjne, które wynosi 2,5 V. Jednocześnie, rezystory szeregowe ograniczają prąd płynący przez te diody.