|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Regulator ładowania baterii do ogniw słonecznych. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Alternatywne źródła energii Zasilanie różnych urządzeń jest możliwe bezpośrednio z ogniw słonecznych. Jednak takie proste podłączenie ogniw fotowoltaicznych jest możliwe tylko wtedy, gdy brak światła słonecznego, a co za tym idzie zasilania, praktycznie nie prowadzi do niepożądanych konsekwencji. W wielu przypadkach konieczne jest, aby urządzenia i sprzęt elektryczny działały nawet przy braku światła słonecznego. Aby to zrobić, musisz przechowywać energię słoneczną wytworzoną w ciągu dnia w bateriach do późniejszego wykorzystania. Najbardziej odpowiednie do tych celów są akumulatory kwasowo-ołowiowe. Akumulatory kwasowo-ołowiowe Akumulatory kwasowo-ołowiowe składają się w rzeczywistości z kilku pojedynczych ogniw połączonych szeregowo. Każdy element, który wytwarza napięcie do 2 V, zawiera dwie ołowiane płytki umieszczone w słabym roztworze kwasu siarkowego. Gdy przez ogniwo przepływa prąd elektryczny, zachodzi odwracalna reakcja elektrochemiczna, w wyniku której w ogniwie magazynowana jest energia elektryczna, którą w razie potrzeby można później wykorzystać. Pomimo pozornej prostoty, w rzeczywistości proces ładowania baterii jest dość skomplikowany. Akumulator kwasowo-ołowiowy jest wrażliwym urządzeniem elektrycznym, z którym należy obchodzić się ostrożnie, zwłaszcza podczas ładowania. Aby to potwierdzić, prześledźmy różne etapy typowego cyklu ładowania. Ładowanie akumulatora rozpoczyna się w momencie przyłożenia napięcia do płytek ogniw, w wyniku czego zaczyna przez nie przepływać prąd elektryczny. Prowadzi to do zajścia reakcji elektrochemicznej, która zmienia skład chemiczny płytek i elektrolitu ogniwa akumulatora. Szybkość tej reakcji zależy od wielkości prądu ładowania. Im większy prąd, tym szybciej przebiega reakcja. Ostatecznie to ładunek związany z tym prądem jest przechowywany w ogniwie do późniejszego wykorzystania. Akumulator gromadzi coraz więcej ładunków, aż w końcu dochodzi do nasycenia. Zasadniczo reakcja chemiczna stabilizuje się lub równoważy, a dalsze gromadzenie ładunku ustaje. Równowaga występuje, gdy większość jonów siarczanowych, które zostały wchłonięte z roztworu kwasu siarkowego przez ołowiane płyty podczas cyklu rozładowania akumulatora, powraca z płytek do roztworu. W tym przypadku płytki ponownie nabierają właściwości metalicznych i zaczynają zachowywać się jak elektrody umieszczone w roztworze wodnym (doskonałe medium do elektrolizy). Prąd ładowania zaczyna rozkładać wodę w elektrolicie na składniki elementarne (wodór i tlen). Proces ten można zauważyć nawet nie wiedząc o jego istnieniu, obserwując tzw. „wrzenie” baterii. Termin ten jest błędnie używany ze względu na zewnętrzne podobieństwo bulgotania pęcherzyków gazu podczas elektrolizy z gotowaniem. Bardziej poprawne jest nazywanie tego efektu wydzielaniem gazu. Gazowanie rozpoczyna się, gdy akumulator ma około 70-80% pełnego naładowania. Gdyby akumulator był ładowany z taką samą szybkością, gazowanie uszkodziłoby ogniwa akumulatora. Jednak szybkość elektrolizy powodującej odgazowanie jest proporcjonalna do prądu przepływającego przez ogniwo. Im niższy prąd, tym wolniejszy rozkład wody i słabsze wydzielanie gazu. Możesz znacznie zmniejszyć niszczycielskie skutki odgazowania, zmniejszając prąd ładowania, gdy pojawią się oznaki odgazowania. Chociaż całkowicie zatrzymuje się tylko w przypadku braku prądu, ilość prądu ładowania można zmniejszyć do takiego poziomu, aby jakość akumulatora nie uległa pogorszeniu podczas gromadzenia ładunku. W ostatnim etapie ładowania akumulator jest ładowany prądem, którego wartość stanowi zwykle niewielką część początkowego prądu ładowania. Prąd ten powoli ładuje akumulator, zapobiegając w ten sposób intensywnemu wydzielaniu się gazu. Po całkowitym naładowaniu akumulatora można go odłączyć od źródła zasilania. Ze względu na obecność zanieczyszczeń w elektrolicie oraz zmiany składu chemicznego okładek, w ogniwach akumulatora powstają prądy wewnętrzne, które z czasem zmniejszają skumulowany ładunek. W końcu akumulator sam się rozładuje. Regulatory ładowania baterii Oczywiście prąd potrzebny do naładowania akumulatora zależy od stanu naładowania ogniw akumulatora. Oznacza to konieczność stworzenia regulatora ładowania, który ocenia stan rozładowania akumulatora i w zależności od niego steruje prądem ładowania. Istnieją trzy sposoby ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Podczas ładowania z ogniw słonecznych najbardziej odpowiednią metodą jest dwustopniowy cykl ładowania (rys. 1).
Przede wszystkim załóżmy, że bateria jest całkowicie rozładowana. Zacznijmy przepuszczać prąd przez elementy. Ponieważ cykl ładowania baterii musi odpowiadać okresowi wytwarzania użytecznej energii elektrycznej przez ogniwa słoneczne, pożądane jest, aby bateria była ładowana w jak najkrótszym czasie. Optymalnym trybem ładowania będzie taki, w którym wydzielanie gazu rozpocznie się po około 4 godzinach od rozpoczęcia ładowania akumulatora. Czas ten odpowiada największemu natężeniu promieniowania słonecznego w ciągu dnia, zazwyczaj w przedziale 10-14 h. Niezależnie od sezonowych zmian i warunków pogodowych, właśnie o tej porze dnia można osiągnąć maksymalny zwrot z ogniw fotowoltaicznych. Ten czas ładowania odpowiada liczbowo prądowi ładowania 20 A na każde 100 Ah pojemności akumulatora, o ile oczywiście ogniwa słoneczne pozwalają na odbiór takiego prądu. Np. akumulator 75Ah należy ładować prądem 15A. Po 4-godzinnym ładowaniu ze stałą szybkością akumulator będzie miał 80% pełnego naładowania przed rozpoczęciem gazowania. Kolejnym krokiem jest obniżenie prądu ładowania do niższego poziomu. Wartość tego prądu wynosi zwykle 2-5% pojemności akumulatora. Dla przykładowego akumulatora o pojemności 75 Ah prąd ładowania w końcowej fazie ładowania może wynosić 1,5-3,75 A. W zależności od wybranego prądu, końcowe naładowanie akumulatora zajmie kolejne 4-10 godzin. bateria. Przy tej prędkości pełne naładowanie baterii zajmuje więcej niż jeden dzień. Jednak w zaawansowanych urządzeniach zasilających akumulatory są zwykle w stanie pełnego naładowania przez większość czasu pracy, a ich całkowite rozładowanie jest niezwykle rzadkie. Rezerwowe (kompensacyjne) ładowanie akumulatorów Po końcowym naładowaniu akumulatora zaleca się dodatkowo zasilić go rezerwowym (kompensacyjnym) prądem doładowania. Wartość tego prądu wynosi zwykle 1-2% całkowitej pojemności akumulatora. Ten dodatkowy trzeci etap ładowania akumulatora komplikuje konstrukcję regulatora ładowania. Z sytuacji można wyjść łącząc drugi i trzeci etap ładowania, wykorzystując ten sam prąd co prąd końcowy lub prąd ładowania rezerwowego, którego wartość wynosi 2% pojemności akumulatora. Dzięki temu konstrukcja regulatora zostaje uproszczona, a jego niezawodność zwiększona. Konstrukcja regulatora Do normalnej pracy regulatora ładowania, spełniającego podane powyżej wymagania dotyczące prądu ładowania, konieczna jest każdorazowa znajomość stanu naładowania akumulatora. Na szczęście sam akumulator stanowi klucz do rozwiązania tego problemu: istnieje dobrze ugruntowana zależność między ilością ładunku zgromadzonego w akumulatorze a napięciem na nim. Jak widać z rys. 2, zależność ta jest prawie zawsze liniowa.
Interesujący nas obszar ładowania mieści się w granicach 70-80% pełnego naładowania akumulatora. Dopiero po osiągnięciu tego stopnia naładowania rozpoczyna się wydzielanie gazu i konieczna jest zmiana prądu ładowania. W przypadku akumulatora 12-woltowego napięcie w tym punkcie wynosi 12,6 V. W pełni naładowany akumulator wytwarza napięcie 13,2 V. Określając napięcie na akumulatorze, możesz dostosować prąd ładowania. Jeśli napięcie spadnie poniżej 12,6 V, to ogniwa akumulatora zawierają mniej niż 80% ładunku i regulator zapewnia pełny prąd ładowania. Gdy napięcie na akumulatorze wzrośnie powyżej 12,6 V, należy zredukować prąd ładowania do poziomu prądu ładowania. Napięcie na akumulatorze jest monitorowane przez specjalne urządzenie (komparator), które jest niczym innym jak konwencjonalnym wzmacniaczem o bardzo dużym wzmocnieniu. Rzeczywiście, komparator zawarty w obwodzie pokazanym na ryc. 3 może służyć jako wzmacniacz operacyjny.
Komparator porównuje dwa napięcia – mierzone i odniesienia, podawane na jego wejścia. Wejście odwracające komparatora (-) jest zasilane napięciem odniesienia z diody Zenera D2. To napięcie ustawia poziom wyzwalania urządzenia. Napięcie baterii jest dzielone przez rezystory R1 i R2 tak, aby w przybliżeniu było równe napięciu stabilizacji diody D2. Napięcie podzielone przez rezystory jest podawane na wejście nieodwracające (+) komparatora z suwaka potencjometru w celu precyzyjnej regulacji progu przełączania. Jeżeli napięcie akumulatora spadnie na tyle, że sygnał na wejściu nieodwracającym spadnie poniżej granicy wyznaczonej przez diodę D2, na wyjściu komparatora powstanie napięcie ujemne. Jeśli napięcie baterii wzrośnie powyżej napięcia odniesienia, wyjście komparatora będzie dodatnie. Przełączenie znaku napięcia na wyjściu komparatora zapewni niezbędną regulację prądu ładowania. Zasada działania regulatora ładowania Prąd ładowania jest regulowany przez przekaźnik elektromagnetyczny. Przekaźnik jest sterowany przez tranzystor QI napięciem wyjściowym komparatora. Ujemne napięcie na wyjściu komparatora oznacza, że akumulator jest rozładowany i wymagany jest pełny prąd ładowania (tranzystor Q1 zamknięty). Dlatego prąd kolektora wynosi zero, a przekaźnik jest wyłączony. Normalnie zamknięte styki przekaźnika bocznikują rezystor ograniczający prąd Rs. Gdy przekaźnik jest wyłączony, rezystor jest usuwany z obwodu, a pełny prąd z ogniw słonecznych trafia do akumulatora. Wraz ze wzrostem stanu naładowania rośnie napięcie na akumulatorze. Wydzielanie gazu rozpoczyna się, gdy napięcie osiągnie 12,6 V. Ustawiony na ten poziom komparator przełącza się (dodatni na wyjściu komparatora). Tranzystor otwiera się, a prąd kolektora włącza przekaźnik. Styki przekaźnika, które bocznikowały rezystor Rs, są otwarte.
Teraz prąd ładowania z ogniw słonecznych musi pokonać rezystancję rezystora ograniczającego. Wartość tego rezystora dobiera się tak, aby wartość prądu ładowania wynosiła 2% pojemności akumulatora. W tabeli na ryc. 4 pokazuje wartości Rs w zależności od pojemności baterii. Istnieje pewna niepewność co do napięcia przełączania komparatora. Niech na przykład napięcie na akumulatorze wzrośnie do 12,6 V, przekraczając próg. W normalnych warunkach spowoduje to zmianę napięcia wyjściowego komparatora, zadziała przekaźnik i zmniejszy prąd ładowania. Jednak napięcie wyjściowe akumulatora zależy nie tylko od stanu naładowania, ale także od innych czynników, dlatego nierzadko obserwuje się niewielki spadek napięcia po wyłączeniu dużego prądu ładowania. Jest całkiem prawdopodobne, że np. napięcie spadnie o kilka setnych wolta (do 12,55 V). Jak schemat będzie działał w tym przypadku? Oczywiście komparator przełączy się z powrotem i tryb wysokiego prądu ładowania zostanie przywrócony. Ponieważ napięcie akumulatora jest bardzo bliskie 12,6 V, nagły wzrost prądu niewątpliwie spowoduje skok napięcia do poziomu wyższego niż 12,6 V. W rezultacie przekaźnik ponownie się wyłączy. W tych warunkach komparator będzie przełączał się tam iz powrotem w pobliżu napięcia wyzwalającego. Aby wyeliminować ten niepożądany efekt, zwany „odchyleniem”, do wzmacniacza wprowadza się małe dodatnie sprzężenie zwrotne za pomocą rezystora, tworząc strefę nieczułości histerezy. Przy histerezie komparator wymaga do działania większej zmiany napięcia niż wcześniej. Tak jak poprzednio, komparator przełączy się przy napięciu 12,6 V, ale aby się zresetował, napięcie akumulatora musi spaść do 12,5 V. Eliminuje to efekt oscylacji. Szeregowe połączenie diody D1 w obwodzie ładowania zabezpiecza akumulator lub rozładowanie przez ogniwa słoneczne w ciemności (w nocy). Dioda ta zapobiega również pobieraniu przez regulator ładowania energii z akumulatora. Regulator jest w pełni zasilany ogniwami słonecznymi. urządzenie wskaźnikowe Do kontrolera ładowania wprowadza się urządzenie wskazujące, przeznaczone do wyświetlania trybu pracy kontrolera w dowolnym momencie. Choć wskaźnik nie jest niezbędną częścią urządzenia (bez niego regulator będzie działał), to jednak jego obecność zwiększa wygodę pracy z regulatorem. Urządzenie wskaźnikowe (ryc. 3) składa się z dwóch komparatorów i dwóch diod elektroluminescencyjnych (LED). Wejście odwracające jednego komparatora i wejście nieodwracające drugiego są połączone z diodą Zenera, która generuje napięcie odniesienia. Pozostałe wejścia komparatorów są podłączone do wyjścia komparatora sterującego prądem ładowania. Górny komparator jest wyzwalany i włącza diodę LED1, gdy regulator pracuje w trybie wysokiego prądu ładowania. Jeżeli regulator przejdzie w tryb zasilania prądowego to górny komparator wyłącza się, a dolny komparator zostaje załączony i zapala się dioda LED2. konstrukcja regulatora ładowania Regulator ładowania jest zamontowany na płytce drukowanej (rys. 5), rozmieszczenie elementów obwodu, na którym pokazano na ryc. 6. Szczególną uwagę należy zwrócić na rozmieszczenie elementów półprzewodnikowych (aby uniknąć błędnego podłączenia wyprowadzeń). Gotowy obwód umieszczamy w dowolnej (najlepiej wodoszczelnej) obudowie. Do tych celów odpowiednie jest małe plastikowe pudełko. Jeśli obudowa jest nieprzezroczysta, aby wskazać tryby pracy, wywierć w jej pokrywie otwór na diody LED. Konieczne jest również wykonanie otworu z boku obudowy na wyprowadzenie przewodów przyłączeniowych.
Potężne regulatory Opisany regulator może sterować prądem ładowania około 5 A. Jego wartość jest ograniczona właściwościami zastosowanego stycznika przekaźnika elektromagnetycznego. Styki przekaźnika są przystosowane do prądu do 3 A i całkiem naturalne jest pytanie, dlaczego zaleca się ich stosowanie do 5 A. Można to wyjaśnić w następujący sposób. Kiedy styki otwierają obwód, zwykle pojawia się między nimi mały łuk elektryczny. Łuk prowadzi do zjawisk podobnych do spawania elektrycznego, a na powierzchni styków pojawiają się karby. Im większy przepływający prąd, tym silniejszy efekt łuku elektrycznego. Aby zapobiec takiemu procesowi w obwodzie opisywanego regulatora, styki przekaźnika są zbocznikowane z niewielką rezystancją. Dlatego znaczna część energii jest pochłaniana przez rezystor, a nie rozpraszana w łuku elektrycznym. W ten sposób styki, nie ulegając zniszczeniu, mogą regulować prądy przekraczające prąd znamionowy. Jeśli wymagane jest zwiększenie prądu regulowanego, konieczne jest zastosowanie w obwodzie mocniejszego przekaźnika, włączanego przez styki przekaźnika niskoprądowego, jak pokazano na ryc. 7.
Aby zainstalować drugi przekaźnik, należy odpowiednio zmodyfikować rysunek PCB. Zacznij od usunięcia zworek prowadzących do styków przekaźnika. Spowoduje to odłączenie styków od rezystora ograniczającego prąd. Teraz użyj tych pinów do napędzania mocniejszego przekaźnika. Konieczna jest również wymiana diody D1 i rezystora ograniczającego prąd Rs na diodę i rezystor zdolne wytrzymać wysokie prądy. Bardziej sensowne jest umieszczenie obu tych elementów poza płytką w pobliżu przekaźnika, ponieważ rozpraszają one więcej ciepła niż poprzednie elementy obwodu. Podłącz baterię i ogniwa słoneczne bezpośrednio do przekaźnika mocy za pomocą grubych przewodów i użyj cienkich przewodów do zasilania obwodu regulatora z dodatniego zacisku ogniw słonecznych. Regulator małej mocy Może się zdarzyć, że energia elektryczna z małej baterii słonecznej nie wystarczy nawet do zasilenia przekaźnika. Wtedy przekaźnik można po prostu zastąpić tranzystorem. W tym celu można wyjąć przekaźnik RL1 i sterujący nim tranzystor Q1 i podłączyć do rezystora Rs tranzystor pnp, a jego podstawę do rezystora R5. na ryc. 8 przedstawia obwód elektryczny po całkowitej modyfikacji.
Gdy napięcie na wyjściu komparatora jest dodatnie, tranzystor zostaje włączony i pełny prąd ładowania płynie do akumulatora. Kiedy regulator przełącza się w tryb ładowania doładowania, wyjście komparatora staje się ujemne, tranzystor wyłącza się, a prąd ładowania przepływa teraz tylko przez rezystor Ra, omijając tranzystor. Zaletą tego układu nad układem przekaźnikowym jest to, że jego działanie nie jest ograniczone do 12 V. Urządzenie może regulować ładowanie akumulatorów o napięciu znamionowym 3-30 V. Oczywiście konieczna jest zmiana wartości rezystorów i R2 oraz typu diody D2 w celu zestawienia wartości napięcia padającego na potencjometr VR1 i odniesienia na diodzie Zenera. Prąd jest ograniczony do około 250 mA. Sama płytka drukowana pełni rolę radiatora, który pozwala na odprowadzenie nadmiaru ciepła z zastosowanego tranzystora. Podkładka radiatora jest uformowana na odwrotnej stronie płytki i nie wymaga żadnej izolacji. Kalibracja Do podłączenia regulatora należy wykonać tylko cztery połączenia. Dwa - do dodatniego i ujemnego zacisku panelu słonecznego oraz dwa odpowiednio do dodatniego i ujemnego zacisku akumulatora. Po zainstalowaniu regulatora w ładowarce należy skalibrować układ, aw szczególności wyregulować jego czułość na zmiany napięcia tak, aby prąd przełączał się w odpowiednim momencie.W tym celu należy najpierw lekko rozładować akumulator. Następnie przekręcamy suwak potencjometru VR1 zgodnie z ruchem wskazówek zegara do oporu (zgodnie ze schematem do górnej pozycji). Styki przekaźnika zamkną się. Napięcie na akumulatorze podczas ładowania jest monitorowane za pomocą woltomierza. Gdy osiągnie 12,6 V, suwak potencjometru VR1 obraca się w przeciwnym kierunku, aż przekaźnik się wyłączy. Będzie to odpowiadać ładowaniu „doładowania”. Niestety napięcie ładowania akumulatora zależy również od jego temperatury. Im zimniejszy akumulator, tym większe napięcie jest wymagane do naładowania. Zmienia to napięcie progowe, przy którym regulator powinien działać. Wykres na ryc. 9 przedstawia napięcie odpowiedzi w funkcji temperatury.
Błąd w ustawieniu napięcia wyzwalającego można w zasadzie pominąć. Jeśli temperatura akumulatora podczas ładowania jest w miarę stabilna i dodatnia, co można zapewnić w taki czy inny sposób, na przykład dobrze go przykrywając, to niewielkie zmiany temperatury praktycznie nie będą miały wpływu na działanie regulatora.
Autor: Byers T.
Maszyna do przerzedzania kwiatów w ogrodach
02.05.2024 Zaawansowany mikroskop na podczerwień
02.05.2024 Pułapka powietrzna na owady
01.05.2024
▪ MOSFET wysokiego napięcia do szybkich urządzeń przełączających ▪ Transceiver 60 GHz z wbudowaną autokalibracją ▪ Teleskop Jamesa Webba wystrzelony na orbitę ▪ NLSF595 Trójkolorowe sterowniki LED ▪ Stworzono czyste czerwone diody LED
▪ sekcja strony Aforyzmy znanych osób. Wybór artykułu ▪ Artykuł o Kopciuszku. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Co samce pchaczy dają swoim dziewczynom podczas zabaw godowych? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Kontrola publiczna nad ochroną pracy ▪ artykuł Tajemnicze konfetti. Sekret ostrości
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony