Зарядка аккумуляторов от солнечной батареи

Автор: SSMix
Опубликовано 17.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

          Как-то для дежурной подзарядки 3-х пальчиковых NiMH аккумуляторов были недорого приобретены 3 солнечные батареи из поликристаллического кремния типа YH40*40-4A/B40-P размерами 40x40 мм каждая. В datasheet на них был указан ток Iкз = 44 мА и напряжениеUхх = 2,4 В. Также было указано, что в отличие от монокристаллического кремния, данные элементы незначительно снижают мощность при облачности или частичном затенении. Соединив последовательно три этих солнечных элемента и через диод Шоттки подав на последовательно соединённые три NiMH аккумулятора, было получено простейшее зарядное устройство. Простейшее, поскольку при такой схеме включения зарядка аккумуляторов происходила лишь при ярком солнечном свете. В пасмурную погоду и при искусственном освещении выходное напряжение солнечных элементов значительно падало, в результате чего не хватало напряжения для зарядки.

         Сперва к солнечной батарее был просто добавлен импульсный повышающий преобразователь 5В на NCP1450ASN50T1G со стандартной обвязкой,

но результат оказался неудовлетворительный.

          После запуска преобразователя напряжение на выходе солнечной батареи значительно просаживалось, и даже при хорошем солнечном освещении не превышало 2В. Ток зарядки аккумуляторов при этом был в несколько раз ниже, чем при непосредственном подключении к ним солнечной батареи. Подключение вывода разрешения работы 1 (CE) DA1 через делитель напряжения для увеличения порога запуска преобразователя также не дало существенного улучшения ситуации. Стало ясно, что при слабом освещении режим работы схемы должен быть совсем другим. Сперва нужно накопить заряд от солнечных элементов на дополнительном конденсаторе, а затем по достижению на нём определённого порогового напряжения "выплеснуть" этот заряд на повышающий преобразователь. При ярком освещении, когда напряжения на выходе солнечной батареи достаточно для непосредственной зарядки аккумуляторов, повышающий преобразователь должен автоматически отключаться. В итоге была разработана следующая схема, обеспечивающая автоматический переход из одного в другой режимы работы:

         Работает устройство следующим образом. При первоначальном включении (освещении) все транзисторы закрыты и происходит заряд конденсатора C1, подключенного параллельно солнечной батарее. Напряжение с C1 через дроссель L1 и диод Шоттки VD3 также поступает на вход питания микросхемы повышающего преобразователя DA1 NCP1450ASN50T1G, на конденсатор C4 и на положительный вывод батареи аккумуляторов GB1. Отрицательный вывод GB1 подсоединён к общей шине схемы через диод VD4 для исключения тока разрядки аккумуляторов через схему при отсутствии внешнего освещения. По достижению на конденсаторе C1 порогового напряжения открывания VT3 (около 1,8В) последний открывает также и транзистор VT4. При этом на управляющий вход CE DA1 подаётся отпирающее напряжение (>0,9В) и запускается импульсный повышающий преобразователь (DA1, R10, C3, VT5, L1, VD3, C4), подзаряжая конденсатор C4. Одновременно с работой преобразователя начинает светиться красный светодиод HL2. Если освещения солнечной батареи недостаточно для поддержания рабочего тока нагрузки, напряжение на конденсаторе C1 будет снижаться, VT3, VT4 закроются, управляющее напряжение на выводе CE DA1 упадёт ниже 0,3 В и преобразователь выключится, а светодиод HL2 погаснет. Поскольку нагрузка для солнечной батареи отключилась, вновь запустится процесс зарядки конденсатора C1 до порогового напряжения открывания VT3. Опять запустится преобразователь и в конденсатор C4 поступит очередная порция заряда. После серии таких циклов напряжение на C4 возрастёт до напряжения открывания VD4 плюс суммарное напряжение на аккумуляторах. Через GB1, VD4 потечет ток зарядки аккумуляторов. Тока в несколько мА будет достаточно для падения напряжения на VD4, при котором начнёт открываться транзистор VT2. Диод VD4 используется при этом в качестве датчика тока. Пульсирующее напряжение с солнечной батареи и C1 подаётся на выпрямитель VD1 (BAS70), C2, R1. С резистора R1 выпрямленное напряжение подаётся на последовательно включенные З-И VT1 и К-Э VT2. Если вырабатываемой солнечной батареей энергии становится достаточно для одновременного открывания VT1 (напряжением на C2, R1) и VT2 (током зарядки аккумуляторов), то будет происходить шунтирование нижнего плеча делителя R4, что приведет к повышению порога открывания VT3, VT4 для запуска повышающего преобразователя. Таким образом, чем больше энергии вырабатывается солнечной батареей, тем больше становится порог запуска преобразователя, т.е. с накопительного конденсатора C1 снимается всё больший заряд энергии. При достаточном освещении, когда напряжения солнечной батареи под нагрузкой хватает для непосредственной зарядки трёх аккумуляторов (через L1, VD3, VD4), открытые VT1, VT2 шунтируют R4 настолько, что повышающий преобразователь находится в выключенном состоянии. При этом красный светодиод HL2 перестаёт мигать. Зелёный светодиод HL1 светится постоянно при напряжении на C1 более 2В для индикации работоспособности устройства. Процесс автоматического переключения режима работы происходит плавно, адаптируясь под внешнее освещение. При слабом освещении наблюдаются редкие мигания красного светодиода. С возрастанием освещённости частота мигания повышается, а также начинает в противофазе мигать зелёный светодиод. При дальнейшем повышении освещённости, когда в повышающем преобразователе надобность отпадает, остаётся гореть только зелёный светодиод. В ясную солнечную погоду ток зарядки аккумуляторов достигает 25 мА. Для ограничения выходного напряжения солнечной батареи на уровне 5,5 В предназначен стабилитрон VD2, поскольку по datasheet на NCP1450A максимальное входное напряжение для неё не должно превышать 6 В.

         Устройство собрано на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 132х24мм.

         Все элементы, за исключением разъёма питания для подключения аккумуляторов, в SMD исполнении. Светодиоды HL1, HL2 – ультра яркие типоразмера 1206. Тип приобретённых светодиодов остался неизвестен, но они довольно яркие, а светиться начинают уже при микроамперных токах. Резисторы и керамические конденсаторы – типоразмера 0805 (C3 и R10 – 0603, но можно запаять и 0805 в два этажа). Конденсаторы C1, C4 – танталовые, типоразмера C. Дроссель L1 – типа CDRH6D28 на 15мкГн, 1,4А. Транзисторы применены широко распространённые, корпус SOT-23-3. Разъём питания – стандартный. Внимание! Плата разведена для наружного плюсового контакта штекера.

         Настройка устройства практически не требуется. При необходимости подбором сопротивления резисторов R2, R7 можно установить требуемую яркость свечения имеющихся светодиодов. Подбором резистора R4 можно добиться наиболее оптимального режима работы преобразователя (по максимуму КПД) при пониженной яркости освещения.

Файлы:
Файлы проекта

Все вопросы в Форум.