Повышающий преобразователь с MPPT контролером заряда для солнечных батарей

Устройство представляет собой простой повышающий преобразователь и ограничитель напряжения, который заряжает аккумуляторы напряжением 12В от солнечной панели напряжением 6В. Устройство также имеет функцию MPPT (Отслеживание точки максимальной мощности). Когда мы думаем о MPPT, то обычно вспоминаем про микроконтроллеры и сложные вычислительные алгоритмы мощности. Однако такие алгоритмы на самом деле не нужны. 

В статье представлены два схематических решения. Первая схема просто иллюстрирует повышающий импульсный преобразователь, в то время как вторая демонстрирует самодельную рабочую схему устройства. Она рекомендуется для более продвинутых экспериментаторов, которые имеют в своем распоряжении осциллограф. Схема может также представлять интерес для студентов и тех, кто просто хочет расширить свои знания в электронике.

Схемы топологии повышающего преобразователя и схема самодельного солнечного преобразователя

Теоретические сведения о повышающем преобразователе

На схеме топологии повышающего преобразователя катушка L1 заряжается, когда транзистор Q1 открыт. Когда транзистор Q1 закрыт, катушка L1 разряжается на батарею через стабилитрон D1. Выполнение данной операции в течение нескольких тысяч раз в секунду в результате приведет к существенному выходному току. Этот процесс также называется индуктивным разрядом. Для его функционирования необходимо, чтобы входное напряжение было ниже выходного. Также при наличии солнечной панели необходимо использовать элемент хранения энергии – конденсатор (C1), который позволит солнечной панели непрерывно выдавать на выход ток между циклами.

Описание принципиальной схемы повышающего преобразователя

Схема состоит из трех основных блоков, включая генератор стробирующих импульсов на базе 555 МОП-интегральной схемы, 555 ШИМ модулятор и операционный усилитель с ограничителем напряжения. 555 серия с каскадным выходом может обеспечить ток около 200мА и позволяет создать отличный маломощный генератор импульсов. 555 ШИМ модулятор является классической генераторной схемой на базе 555 серии. Для регулировки времени разряда конденсатора C3 (время заряда катушки), на вывод 5 подается напряжение величиной 5В.

Ограничение напряжения

Операционный усилитель U1A вычисляет сигнал напряжения батареи, когда разделенное установленное значение напряжения сравнивается с эталонным напряжением величиной 5В. Когда напряжение превышает установленное значение, выход переключается в отрицательном направлении, снижая, таким образом, частоту импульсов ШИМ генератора и ограничивая любой последующий заряд. Это эффективно предотвращает перезаряд.

Питание схемы от солнечной панели

Для предотвращения ненужного разряда батареи, когда солнце не светит, все цепи запитываются через солнечную панель, за исключением делителя напряжения с обратной связью, который потребляет около 280мкА.

MOSFET логического уровня

Поскольку схема должна работать при низких уровнях напряжения (данная схема работает от входного напряжения не ниже 4В), необходимо установить MOSFET логического уровня. Он будет открываться при напряжении 4.5В. Для этой цели я использовал мощный МОП-транзистор MTP3055.

Фиксация напряжения с помощью стабилитрона D2

В этой схеме НЕЛЬЗЯ ОТСОЕДИНЯТЬ батарею, в противном случае MOSFET-транзистор сгорит. Поэтому для его защиты я установил стабилитрон D2 напряжением 24В. Без этого стабилитрона у меня самого сгорело много МОП-транзисторов.

функцияMPPT

Когда напряжение / ток солнечной панели увеличивается, ШИМ генератор повышает частоту импульсов, что в свою очередь приводит к увеличению выходного тока. В то же время, дополнительное напряжение прилагается к катушке, увеличивая, таким образом, ее зарядный ток. В результате повышающий преобразователь действительно «прилагает большие усилия» при повышении напряжения или «ослабевает», когда напряжение снижается. Для максимальной передачи энергии при ярком солнечном свете выполняется регулировка потенциометра R8 так, чтобы зарядный ток батареи был максимальным – это и будет точка максимальной мощности. Если схема работает правильно, то будет наблюдаться очень плоский пик при вращении R2. Диод D3 выполняет автоматическую MPPT регулировку более точно посредством вычитания фиксированного напряжения из разницы напряжения между батареей и средним напряжением через конденсатор C3. В условиях низкого освещения вы обнаружите, что резистор R3 не является оптимальным, однако он не будет полностью исключен из цепочки. Заметьте, что интеллектуальные MPPT контроллеры также могут лучше работать при полном диапазоне, однако это улучшение крайне малоэффективно.

Номиналы компонентов

Схема настроена на напряжение 9В, солнечная панель на мощность 3Вт. Повышающие преобразователи весьма привередливы и не будут работать в широком диапазоне условий – если ваша система использует другие пределы номинальной мощности для солнечной панели, тогда ждите проблемы. Единственные компоненты, которые требуют настройки, катушка L1 и конденсатор C3. Я был удивлен, что частота повторений оказалась очень низкой (около 2кГц). Я начал с катушки индуктивностью 100мкГ, однако схема работает лучше при индуктивности 390мкГ – первоначально я хотел получить около 20кГц. Для наилучшей работы выполняйте заряд катушки от 5 до 10 раз по отношению к току солнечной панели, затем обеспечьте продолжительный период времени (3X), чтобы катушка могла полностью разрядиться. Это обеспечит приемлемую работу, когда напряжение источника питания будет близко к напряжению батареи. Заметьте, что низкоомные катушки обеспечивают наилучшую эффективность. Наибольшая потеря действительно происходит в диоде Шотки, и наименьшая потеря это то, для чего эти диоды предназначены.

Работа при высокой частоте обычно предпочтительна. Это позволит минимизировать размер катушки. Однако для эксперимента, используйте катушку, которая будет работать лучше всего.

Предлагаемые компоненты указаны на схеме. Естественно, зарядное устройство можно приспособить в соответствии со своими требованиями.

Осциллограммы

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• Солнечная панель
• Зарядное устройство