Como fazer um circuito otimizador de painel solar

O circuito otimizador solar proposto pode ser usado para obter a saída máxima possível em termos de corrente e tensão de um painel solar, em resposta às condições variáveis ​​de luz solar.

Alguns circuitos simples, porém eficazes, do carregador otimizador de painel solar são explicados neste artigo. O primeiro pode ser construído usando um par de 555 ICs e alguns outros componentes lineares, o segundo optin é ainda mais simples e usa ICs muito comuns como LM338 e op amp IC 741. Vamos aprender os procedimentos.

Objetivo do circuito

Como todos sabemos, obter a maior eficiência de qualquer forma de fonte de alimentação torna-se viável se o procedimento não envolver desviar a tensão da fonte de alimentação, o que significa que queremos adquirir o nível específico de tensão mais baixo necessário e a corrente máxima para a carga que é sendo operado sem perturbar o nível de tensão da fonte e sem gerar calor.

Resumidamente, um otimizador solar em questão deve permitir sua saída com a corrente máxima necessária, qualquer nível inferior de tensão necessária, mas certificando-se de que o nível de tensão no painel não seja afetado.

Um método que é discutido aqui envolve a técnica PWM que pode ser considerada um dos métodos ideais até o momento.

Devemos ser gratos a este pequeno gênio chamado IC 555, que faz todos os conceitos difíceis parecerem tão fáceis.

Usando IC 555 para a conversão PWM

Neste conceito também incorporamos e dependemos muito de alguns IC 555s para a implementação necessária.

Olhando para o diagrama de circuito fornecido, vemos que todo o projeto é basicamente dividido em dois estágios.

O estágio superior do regulador de tensão e o estágio inferior do gerador PWM.

O estágio superior consiste em um mosfet de canal p que é posicionado como uma chave e responde à informação PWM aplicada em seu portão.

O estágio inferior é um estágio gerador PWM. Alguns 555 ICs são configurados para as ações propostas.

Como funciona o circuito

IC1 é responsável por produzir as ondas quadradas necessárias que são processadas pelo gerador de ondas triangulares de corrente constante compreendendo T1 e os componentes associados.

Esta onda triangular é aplicada ao IC2 para processamento nos PWMs necessários.

No entanto, o espaçamento PWM de IC2 depende do nível de tensão em seu pino # 5, que é derivado de uma rede resistiva através do painel por meio do resistor de 1K e o pré-ajuste de 10K.

A tensão entre esta rede é diretamente proporcional à variação de voltagem do painel.

Durante as tensões de pico, os PWMs tornam-se mais largos e vice-versa.

Os PWMs acima são aplicados ao mosfet gate, que conduz e fornece a voltagem necessária para a bateria conectada.

Conforme discutido anteriormente, durante o pico do sol, o painel gera um nível mais alto de tensão, tensão mais alta significa IC2 gerando PWMs mais amplos, que por sua vez mantém o mosfe desligado por períodos mais longos ou ligado por períodos relativamente mais curtos, correspondendo a um valor de tensão média que pode ter cerca de 14,4 V nos terminais da bateria.

Quando o brilho do sol se deteriora, os PWMs ficam proporcionalmente estreitos, permitindo que o mosfet conduza mais, de forma que a corrente e a tensão médias na bateria tendem a permanecer nos valores ideais.

A predefinição de 10K deve ser ajustada para obter cerca de 14,4 V nos terminais de saída sob luz solar intensa.

Os resultados podem ser monitorados sob diferentes condições de luz solar.

O circuito otimizador de painel solar proposto garante um carregamento estável da bateria, sem afetar ou desviar a tensão do painel, o que também resulta em menor geração de calor.

Nota: O painel de elevação conectado deve ser capaz de gerar 50% mais tensão do que a bateria conectada no pico do sol. A corrente deve ser 1/5 da classificação AH da bateria.

Como configurar o circuito

1. Isso pode ser feito da seguinte maneira:
2. Inicialmente, mantenha S1 DESLIGADO.
3. Exponha o painel ao pico do sol e ajuste a predefinição para obter a tensão de carga ideal necessária na saída do diodo de drenagem mosfet e no aterramento.
4. O circuito está pronto agora.
5. Feito isso, ligue S1, a bateria começará a ser carregada no melhor modo otimizado possível.

Adicionando um Recurso de Controle Atual

Uma investigação cuidadosa do circuito acima mostra que conforme o mosfet tenta compensar a queda do nível de tensão do painel, ele permite que a bateria consuma mais corrente do painel, o que afeta a tensão do painel, diminuindo-a ainda mais, induzindo uma situação de fuga, pode atrapalhar seriamente o processo de otimização

Um recurso de controle de corrente, conforme mostrado no diagrama a seguir, cuida desse problema e proíbe a bateria de extrair corrente excessiva além dos limites especificados. Isso, por sua vez, ajuda a manter a tensão do painel não afetada.

RX, que é o resistor limitador de corrente, pode ser calculado com a ajuda da seguinte fórmula:

RX = 0,6 / I, onde I é a corrente de carga mínima especificada para a bateria conectada

Uma versão crua, mas mais simples, do projeto explicado acima pode ser construída conforme sugerido pelo Sr. Dhyaksa usando a detecção de limiar pin2 e pin6 do IC555, o diagrama inteiro pode ser testemunhado abaixo:

Sem otimização sem conversor Buck

O projeto explicado acima funciona usando um conceito básico de PWM que ajustou automaticamente o PWM de um circuito baseado em 555 em resposta à alteração da intensidade do sol.

Embora a saída deste circuito produza uma resposta de autoajuste para manter uma tensão média constante na saída, a tensão de pico nunca é ajustada, tornando-a consideravelmente perigosa para carregar baterias do tipo Li-ion ou Lipo.

Além disso, o circuito acima não está equipado para converter o excesso de tensão do painel em uma quantidade proporcional de corrente para a carga nominal de tensão inferior conectada.

Adicionando um Conversor Buck

Tentei retificar essa condição adicionando um estágio conversor de buck ao projeto acima e consegui produzir uma otimização muito semelhante a um circuito MPPT.

No entanto, mesmo com este circuito melhorado, não pude estar totalmente convencido se o circuito era ou não realmente capaz de produzir uma tensão constante com nível de pico reduzido e uma corrente aumentada em resposta aos vários níveis de intensidade do sol.

Para estar totalmente confiante quanto ao conceito e eliminar todas as confusões, tive que passar por um estudo exaustivo sobre os conversores Buck e a relação envolvida entre as tensões de entrada / saída, corrente e as relações PWM (ciclo de trabalho), que inspiraram me para criar os seguintes artigos relacionados:

Como funcionam os conversores Buck

Calculando a tensão, a corrente em um indutor Buck

As fórmulas finais obtidas nos dois artigos acima ajudaram a esclarecer todas as dúvidas e finalmente pude estar perfeitamente confiante com meu circuito otimizador solar proposto anteriormente usando um circuito conversor de Buck.

Analisando a condição do ciclo de trabalho PWM para o projeto

A fórmula fundamental que tornou as coisas claramente claras pode ser vista abaixo:

Vout = DVin

Aqui, V (in) é a tensão de entrada que vem do painel, Vout é a tensão de saída desejada do conversor Buck e D é o ciclo de trabalho.

A partir da equação, torna-se evidente que o Vout pode ser simplesmente adaptado 'ou' controlando o ciclo de trabalho do conversor de Buck ou do Vin ... ou em outras palavras, o Vin e os parâmetros do ciclo de trabalho são diretamente proporcionais e influenciam uns aos outros valores linearmente.

Na verdade, os termos são extremamente lineares, o que torna o dimensionamento de um circuito otimizador solar muito mais fácil usando um circuito conversor Buck.

Isso implica que quando Vin é muito mais alto (@ pico sunshine) do que as especificações de carga, o processador IC 555 pode tornar os PWMs proporcionalmente mais estreitos (ou mais amplos para o dispositivo P) e influenciar o Vout para permanecer no nível desejado e, inversamente, como com o sol diminuir, o processador pode ampliar (ou estreitar para o dispositivo P) os PWMs novamente para garantir que a tensão de saída seja mantida no nível constante especificado.

Avaliação da implementação do PWM por meio de um exemplo prático

Podemos provar o acima resolvendo a fórmula fornecida:

Vamos supor que a tensão de pico do painel V (in) seja 24 V

e o PWM consistindo em um tempo LIGADO de 0,5 segundos e um tempo DESLIGADO de 0,5 segundos

Ciclo de trabalho = tempo do transistor ligado / pulso ligado + tempo desligado = T (ligado) / 0,5 + 0,5 seg

Ciclo de trabalho = T (ligado) / 1

Portanto, substituindo o acima na fórmula fornecida abaixo, obtemos,

V (fora) = V (dentro) x T (ligado)

14 = 24 x T (ligado)

onde 14 é a tensão de saída necessária assumida,

Portanto,

T (ligado) = 14/24 = 0,58 segundos

Isso nos dá o tempo de LIGADO do transistor que precisa ser ajustado para o circuito durante o pico do sol para produzir os 14 V necessários na saída.

Como funciona

Uma vez que o acima é definido, o resto pode ser deixado para o IC 555 processar os períodos T (on) de autoajuste esperados em resposta à luz solar decrescente.

Agora, à medida que a luz do sol diminui, o tempo LIGADO acima seria aumentado (ou diminuído para o dispositivo P) proporcionalmente pelo circuito de uma forma linear para garantir uma constante de 14 V, até que a tensão do painel realmente caia para 14 V, quando o circuito poderia apenas encerrar os procedimentos.

O parâmetro atual (amp) também pode ser assumido como autoajustável, que está sempre tentando alcançar a constante do produto (VxI) durante todo o processo de otimização. Isso ocorre porque um conversor Buck sempre deve converter a entrada de alta tensão em um nível de corrente proporcionalmente aumentado na saída.

Ainda assim, se você estiver interessado em ser totalmente confirmado quanto aos resultados, pode consultar o seguinte artigo para as fórmulas relevantes:

Calculando a tensão, a corrente em um indutor Buck

Agora vamos ver como é o circuito final projetado por mim, a partir das seguintes informações:

Como você pode ver no diagrama acima, o diagrama básico é idêntico ao circuito do carregador solar de otimização automática anterior, exceto a inclusão de IC4 que é configurado como um seguidor de tensão e é substituído no lugar do estágio seguidor de emissor BC547. Isso é feito para fornecer uma resposta melhor para a pinagem de controle do pino 5 do IC2 do painel.

Resumindo o funcionamento básico do otimizador solar

O funcionamento pode ser revisado conforme indicado em: IC1 gera uma frequência de onda quadrada em cerca de 10 kHz que pode ser aumentada para 20 kHz alterando o valor de C1.

Esta frequência é fornecida ao pino 2 do IC2 para a fabricação de ondas triangulares de comutação rápida no pino 7 com a ajuda de T1 / C3.

A tensão do painel é adequadamente ajustada por P2 e fornecida ao estágio seguidor de tensão IC4 para alimentar o pino # 5 do IC2.

Este potencial no pino 5 do IC2 do painel é comparado por ondas triangulares rápidas do pino 7 para criar os dados PWM com dimensões correspondentes no pino 3 do IC2.

No pico do brilho do sol, o P2 é adequadamente ajustado de modo que o IC2 gere os PWMs mais amplos possíveis e, à medida que o brilho do sol começa a diminuir, os PWMs ficam proporcionalmente mais estreitos.

O efeito acima é alimentado para a base de um PNP BJT para inverter a resposta através do estágio conversor buck conectado.

Implica que, no pico do sol, os PWMs mais amplos forçam o dispositivo PNP a conduzir pouco {período de tempo T (ligado) reduzido}, fazendo com que formas de onda mais estreitas cheguem ao indutor de Buck ... mas como a tensão do painel é alta, o nível de tensão de entrada {V (in)} atingindo o indutor Buck é igual ao nível de tensão do painel.

Assim, nesta situação, o conversor Buck com a ajuda do T (on) e do V (in) calculados corretamente é capaz de produzir a tensão de saída correta necessária para a carga, que pode ser muito menor do que a tensão do painel, mas em um nível de corrente (amp) proporcionalmente aumentado.

Agora, conforme o brilho do sol diminui, os PWMs também se tornam mais estreitos, permitindo que o PNP T (ligado) aumente proporcionalmente, o que por sua vez ajuda o indutor de buck a compensar a diminuição da luz do sol, aumentando a tensão de saída proporcionalmente ... a corrente (amp ) O fator agora é reduzido proporcionalmente no decorrer da ação, garantindo que a consistência da saída seja perfeitamente mantida, pelo conversor Buck.

T2 junto com os componentes associados formam o estágio de limitação de corrente ou o estágio de amplificador de erro. Ele garante que a carga de saída nunca consuma nada acima das especificações nominais do projeto, de modo que o sistema nunca seja agitado e o desempenho do painel solar nunca seja desviado de sua zona de alta eficiência.

C5 é mostrado como um capacitor de 100uF, no entanto, para um resultado melhor, ele pode ser aumentado para o valor de 2200uF, porque valores mais altos garantirão melhor controle de corrente de ondulação e tensão mais suave para a carga.

P1 é para ajustar / corrigir a tensão de deslocamento da saída opamp, de modo que o pino # 5 seja capaz de receber um zero volts perfeito na ausência de uma tensão do painel solar ou quando a tensão do painel solar estiver abaixo das especificações de tensão de carga.

A especificação L1 pode ser determinada aproximadamente com a ajuda das informações fornecidas no seguinte artigo:

Como calcular indutores em circuitos SMPS

Otimizador solar usando amplificadores operacionais

Outro circuito otimizador solar muito simples, mas eficaz, pode ser feito empregando-se um LM338 IC e alguns opamps.

Vamos entender o circuito proposto (otimizador solar) com a ajuda dos seguintes pontos: A figura mostra um circuito regulador de tensão LM338 que possui um recurso de controle de corrente também na forma do transistor BC547 conectado através do pino de ajuste e aterramento do IC.

Opamps usados ​​como comparadores

Os dois opamps são configurados como comparadores. Na verdade, muitos desses estágios podem ser incorporados para aumentar os efeitos.

No presente projeto, a predefinição do pino # 3 de A1 é ajustada de modo que a saída de A1 aumenta quando a intensidade do brilho do sol sobre o painel é cerca de 20% menor do que o valor de pico.

Da mesma forma, o estágio A2 é ajustado de modo que sua saída seja alta quando a luz do sol for cerca de 50% menor que o valor de pico.

Quando a saída A1 fica alta, RL # 1 dispara conectando R2 em linha com o circuito, desconectando R1.

Inicialmente no pico do brilho do sol, R1 cujo valor é selecionado bem mais baixo, permite que a corrente máxima chegue à bateria.

Diagrama de circuito

Quando a luz do sol cai, a voltagem do painel também cai e agora não podemos tirar uma corrente pesada do painel porque isso reduziria a voltagem abaixo de 12 V, o que poderia interromper totalmente o processo de carregamento.

Mudança de relé para otimização de corrente

Portanto, conforme explicado acima, A1 entra em ação e desconecta R1 e conecta R2. R2 é selecionado com um valor mais alto e permite apenas uma quantidade limitada de corrente para a bateria, de modo que a voltagem solar não caia abaixo de 15 vots, um nível que é obrigatório na entrada do LM338.

Quando a luz do sol cai abaixo do segundo limite definido, A2 ativa RL # 2 que, por sua vez, alterna R3 para tornar a corrente para a bateria ainda mais baixa, certificando-se de que a tensão na entrada do LM338 nunca caia abaixo de 15 V, mas a taxa de carga para a bateria é sempre mantida nos níveis ideais mais próximos.

Se os estágios opamp são aumentados com mais número de relés e ações de controle de corrente subsequentes, a unidade pode ser otimizada com eficiência ainda melhor.

O procedimento acima carrega a bateria rapidamente em alta corrente durante o pico do sol e diminui a corrente conforme a intensidade do sol sobre o painel cai e, de forma correspondente, fornece a bateria com a corrente nominal correta de modo que ela fique totalmente carregada no final do dia.

O que acontece com uma bateria que não pode ser descarregada?

Suponha que, no caso de a bateria não estar totalmente descarregada para passar pelo processo acima na manhã seguinte, a situação pode ser fatal para a bateria, porque a alta corrente inicial pode ter efeitos negativos sobre a bateria porque ela ainda não foi descarregada para o especificado avaliações.

Para verificar o problema acima, alguns mais opamps são introduzidos, A3, A4, que monitoram o nível de tensão da bateria e iniciam as mesmas ações feitas por A1, A2, de modo que a corrente para a bateria seja otimizada em relação a a tensão ou o nível de carga presente na bateria durante esse período de tempo.