So erstellen Sie eine Solarpanel-Optimierungsschaltung

Die vorgeschlagene Solaroptimierungsschaltung kann verwendet werden, um die maximal mögliche Leistung in Bezug auf Strom und Spannung von einem Solarpanel als Reaktion auf die unterschiedlichen Sonnenlichtbedingungen zu erhalten.

In diesem Beitrag werden einige einfache, aber effektive Ladeschaltungen für Solarpanel-Optimierer erläutert. Der erste kann mit ein paar 555 ICs und einigen anderen linearen Komponenten gebaut werden, der zweite Optin ist noch einfacher und verwendet sehr gewöhnliche ICs wie LM338 und Operationsverstärker IC 741. Lassen Sie uns die Verfahren lernen.

Schaltungsziel

Wie wir alle wissen, ist es möglich, mit jeder Form der Stromversorgung den höchsten Wirkungsgrad zu erzielen, wenn bei diesem Verfahren nicht die Versorgungsspannung überbrückt wird. Dies bedeutet, dass wir den jeweils erforderlichen niedrigeren Spannungspegel und den maximalen Strom für die Last erhalten möchten betrieben werden, ohne den Quellenspannungspegel zu stören und ohne Wärme zu erzeugen.

Kurz gesagt, ein betroffener Solaroptimierer sollte seinen Ausgang mit dem maximal erforderlichen Strom und einem niedrigeren erforderlichen Spannungspegel zulassen und dennoch sicherstellen, dass der Spannungspegel über dem Panel nicht beeinflusst wird.

Eine Methode, die hier diskutiert wird, beinhaltet die PWM-Technik, die als eine der bisher optimalen Methoden angesehen werden kann.

Wir sollten diesem kleinen Genie namens IC 555 dankbar sein, das alle schwierigen Konzepte so einfach aussehen lässt.

Verwendung von IC 555 für die PWM-Konvertierung

Auch in dieses Konzept integrieren wir einige IC 555 für die erforderliche Implementierung und sind stark von diesen abhängig.

Wenn wir uns das gegebene Schaltbild ansehen, sehen wir, dass das gesamte Design grundsätzlich in zwei Stufen unterteilt ist.

Die obere Spannungsreglerstufe und die untere PWM-Generatorstufe.

Die obere Stufe besteht aus einem p-Kanal-Mosfet, der als Schalter positioniert ist und auf die angelegten PWM-Informationen an seinem Gate reagiert.

Die untere Stufe ist eine PWM-Generatorstufe. Für die vorgeschlagenen Aktionen sind einige 555 ICs konfiguriert.

Wie die Schaltung funktioniert

IC1 ist für die Erzeugung der erforderlichen Rechteckwellen verantwortlich, die von dem Konstantstrom-Dreieckwellengenerator verarbeitet werden, der T1 und die zugehörigen Komponenten umfasst.

Diese Dreieckswelle wird an IC2 zur Verarbeitung in die erforderlichen PWMs angelegt.

Der PWM-Abstand von IC2 hängt jedoch vom Spannungspegel an Pin 5 ab, der über den 1K-Widerstand und die 10K-Voreinstellung von einem Widerstandsnetzwerk über das Panel abgeleitet wird.

Die Spannung zwischen diesem Netzwerk ist direkt proportional zu den variierenden Panel-Volt.

Während Spitzenspannungen werden die PWMs breiter und umgekehrt.

Die obigen PWMs werden an das Mosfet-Gate angelegt, das die angeschlossene Batterie leitet und die erforderliche Spannung liefert.

Wie zuvor erläutert, erzeugt das Panel bei Sonnenscheinspitzen einen höheren Spannungspegel. Eine höhere Spannung bedeutet, dass IC2 breitere PWMs erzeugt, wodurch das Mosfe für längere Zeiträume ausgeschaltet oder für relativ kürzere Zeiträume eingeschaltet bleibt, was einem durchschnittlichen Spannungswert entspricht, der möglicherweise auftritt an den Batterieklemmen nur etwa 14,4 V betragen.

Wenn sich der Sonnenschein verschlechtert, werden die PWMs proportional eng beabstandet, so dass der Mosfet mehr leiten kann, so dass der durchschnittliche Strom und die durchschnittliche Spannung über der Batterie dazu neigen, auf den optimalen Werten zu bleiben.

Die 10K-Voreinstellung sollte so eingestellt werden, dass bei strahlendem Sonnenschein etwa 14,4 V an den Ausgangsanschlüssen anliegen.

Die Ergebnisse können unter verschiedenen Sonnenlichtbedingungen überwacht werden.

Die vorgeschlagene Solarpanel-Optimierungsschaltung gewährleistet ein stabiles Laden der Batterie, ohne die Panel-Spannung zu beeinflussen oder zu überbrücken, was auch zu einer geringeren Wärmeerzeugung führt.

Hinweis: Das angeschlossene Höhenfluggerät sollte bei Sonnenschein 50% mehr Spannung erzeugen können als die angeschlossene Batterie. Der Strom sollte 1/5 der AH-Bewertung der Batterie betragen.

So richten Sie die Schaltung ein

1. Dies kann auf folgende Weise erfolgen:
2. Halten Sie S1 zunächst ausgeschaltet.
3. Setzen Sie das Panel Sonnenstrahlen aus und stellen Sie die Voreinstellung so ein, dass die erforderliche optimale Ladespannung über dem Ausgang und der Masse der Mosfet-Drain-Diode erreicht wird.
4. Die Schaltung ist jetzt fertig.
5. Sobald dies erledigt ist, schalten Sie S1 ein, und der Akku wird im bestmöglichen optimierten Modus aufgeladen.

Hinzufügen einer aktuellen Steuerungsfunktion

Eine sorgfältige Untersuchung der obigen Schaltung zeigt, dass der Mosfet beim Versuch, den fallenden Spannungspegel des Panels zu kompensieren, es der Batterie ermöglicht, mehr Strom aus dem Panel zu ziehen, was sich auf die Spannung des Panels auswirkt, die weiter nach unten fällt, was zu einer Run-Away-Situation führt kann den Optimierungsprozess ernsthaft behindern

Eine Stromsteuerungsfunktion, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, behebt dieses Problem und verhindert, dass die Batterie über die angegebenen Grenzen hinaus übermäßigen Strom zieht. Dies trägt wiederum dazu bei, die Plattenspannung nicht zu beeinflussen.

RX, der der Strombegrenzungswiderstand ist, kann mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:

RX = 0,6 / I, wobei I der angegebene Mindestladestrom für den angeschlossenen Akku ist

Eine grobe, aber einfachere Version des oben erläuterten Entwurfs kann wie von Herrn Dhyaksa unter Verwendung der Pin2- und Pin6-Schwellenwerterkennung des IC555 vorgeschlagen erstellt werden. Das gesamte Diagramm kann unten betrachtet werden:

Keine Optimierung ohne Buck Converter

Das oben erläuterte Design verwendet ein grundlegendes PWM-Konzept, bei dem die PWM einer Schaltung auf 555-Basis automatisch an die sich ändernde Sonnenintensität angepasst wird.

Obwohl der Ausgang dieser Schaltung eine selbsteinstellende Reaktion erzeugt, um eine konstante Durchschnittsspannung am Ausgang aufrechtzuerhalten, wird die Spitzenspannung niemals eingestellt, was das Laden von Li-Ionen- oder Lipo-Batterien erheblich gefährlich macht.

Darüber hinaus ist die obige Schaltung nicht ausgestattet, um die Überspannung von der Platte in eine proportionale Strommenge für die angeschlossene Nennlast mit niedrigerer Spannung umzuwandeln.

Hinzufügen eines Buck-Konverters

Ich habe versucht, diesen Zustand zu korrigieren, indem ich dem obigen Entwurf eine Abwärtswandlerstufe hinzugefügt habe, und konnte eine Optimierung erzielen, die einer MPPT-Schaltung sehr ähnlich sah.

Selbst mit dieser verbesserten Schaltung konnte ich mich jedoch nicht vollständig davon überzeugen, ob die Schaltung wirklich in der Lage war, eine konstante Spannung mit einem abgesenkten Spitzenpegel und einem erhöhten Strom als Reaktion auf die verschiedenen Sonnenintensitätspegel zu erzeugen.

Um absolut sicher in Bezug auf das Konzept zu sein und alle Verwirrungen zu beseitigen, musste ich eine umfassende Studie über Tiefsetzsteller und die damit verbundene Beziehung zwischen den Eingangs- / Ausgangsspannungen, dem Strom und den PWM-Verhältnissen (Arbeitszyklus) durchführen, die inspirierte Ich möchte die folgenden verwandten Artikel erstellen:

So funktionieren Buck-Konverter

Berechnung von Spannung und Strom in einer Buck-Induktivität

Die abschließenden Formeln aus den beiden obigen Artikeln halfen, alle Zweifel zu klären, und schließlich konnte ich mit meiner zuvor vorgeschlagenen Solaroptimierungsschaltung unter Verwendung einer Abwärtswandlerschaltung vollkommen sicher sein.

Analysieren des PWM-Arbeitszykluszustands für das Design

Die Grundformel, die die Dinge deutlich gemacht hat, ist unten zu sehen:

Vout = DVin

Hier ist V (in) die Eingangsspannung, die vom Panel kommt, Vout ist die gewünschte Ausgangsspannung vom Tiefsetzsteller und D ist das Tastverhältnis.

Aus der Gleichung wird ersichtlich, dass der Vout einfach angepasst werden kann, indem entweder das Tastverhältnis des Tiefsetzstellers oder des Vin gesteuert wird. Mit anderen Worten, die Parameter Vin und Tastverhältnis sind direkt proportional und beeinflussen sich gegenseitig Werte linear.

Tatsächlich sind die Begriffe extrem linear, was die Dimensionierung einer Solaroptimierungsschaltung unter Verwendung einer Abwärtswandlerschaltung viel einfacher macht.

Dies bedeutet, dass der IC 555-Prozessor die PWMs proportional schmaler (oder breiter für P-Geräte) machen und den Vout so beeinflussen kann, dass er auf dem gewünschten Niveau bleibt, und umgekehrt Wenn die Sonne nachlässt, kann der Prozessor die PWMs wieder verbreitern (oder für P-Geräte verengen), um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung auf dem angegebenen konstanten Niveau gehalten wird.

Bewertung der PWM-Implementierung anhand eines praktischen Beispiels

Wir können das Obige beweisen, indem wir die gegebene Formel lösen:

Nehmen wir an, dass die maximale Plattenspannung V (in) 24 V beträgt

und die PWM soll aus einer Einschaltzeit von 0,5 Sekunden und einer Ausschaltzeit von 0,5 Sekunden bestehen

Arbeitszyklus = Transistor-Einschaltzeit / Impuls-EIN + AUS-Zeit = T (Ein) / 0,5 + 0,5 Sek

Arbeitszyklus = T (ein) / 1

Wenn wir daher das Obige in die unten angegebene Formel einsetzen, erhalten wir:

V (out) = V (in) x T (on)

14 = 24 x T (ein)

wobei 14 die angenommene erforderliche Ausgangsspannung ist,

deshalb,

T (ein) = 14/24 = 0,58 Sekunden

Dies gibt uns die Einschaltzeit des Transistors, die für die Schaltung bei Sonnenschein eingestellt werden muss, um die erforderlichen 14 V am Ausgang zu erzeugen.

Wie es funktioniert

Sobald das oben Gesagte eingestellt ist, kann der Rest dem IC 555 überlassen werden, um die erwarteten selbsteinstellenden T (Ein) -Perioden als Reaktion auf den nachlassenden Sonnenschein zu verarbeiten.

Wenn nun der Sonnenschein abnimmt, würde die obige Einschaltzeit proportional linear durch die Schaltung erhöht (oder für ein P-Gerät verringert), um eine konstante Spannung von 14 V sicherzustellen, bis die Panel-Spannung wirklich auf 14 V abfällt, wenn die Schaltung dies gerade könnte Beenden Sie die Prozeduren.

Es kann auch angenommen werden, dass der aktuelle (Amp) -Parameter sich selbst anpasst, dh immer versucht, die (VxI) -Produktkonstante während des gesamten Optimierungsprozesses zu erreichen. Dies liegt daran, dass ein Tiefsetzsteller den Hochspannungseingang immer in einen proportional erhöhten Strompegel am Ausgang umwandeln soll.

Wenn Sie dennoch daran interessiert sind, bezüglich der Ergebnisse vollständig bestätigt zu werden, können Sie die folgenden Formeln auf den folgenden Artikel verweisen:

Berechnung von Spannung und Strom in einer Buck-Induktivität

Lassen Sie uns nun anhand der folgenden Informationen sehen, wie die von mir entworfene endgültige Schaltung aussieht:

Wie Sie im obigen Diagramm sehen können, ist das Grunddiagramm mit der früheren selbstoptimierenden Solarladeschaltung identisch, mit Ausnahme des IC4, der als Spannungsfolger konfiguriert ist und anstelle der Emitterfolgerstufe BC547 ersetzt wird. Dies geschieht, um eine bessere Reaktion auf die IC2-Pin-Nr. 5-Steuerbelegung vom Bedienfeld aus zu erzielen.

Zusammenfassung der Grundfunktionen des Solar Optimizer

Die Funktion kann wie folgt überarbeitet werden: IC1 erzeugt eine Rechteckwellenfrequenz bei etwa 10 kHz, die durch Ändern des Werts von C1 auf 20 kHz erhöht werden kann.

Diese Frequenz wird Pin2 von IC2 zugeführt, um mit Hilfe von T1 / C3 schnell schaltende Dreieckswellen an Pin # 7 zu erzeugen.

Die Panel-Spannung wird in geeigneter Weise durch P2 eingestellt und der Spannungsfolgerstufe IC4 zugeführt, um den Pin Nr. 5 des IC2 zu speisen.

Dieses Potential an Pin 5 von IC2 von der Platte wird durch schnelle Dreieckwellen von Pin 7 verglichen, um die entsprechend dimensionierten PWM-Daten an Pin 3 von IC2 zu erzeugen.

Bei maximalem Sonnenschein wird P2 entsprechend eingestellt, so dass IC2 möglichst breite PWMs erzeugt, und wenn der Sonnenschein abnimmt, werden die PWMs proportional enger.

Der obige Effekt wird der Basis eines PNP-BJT zugeführt, um die Antwort über die angeschlossene Abwärtswandlerstufe zu invertieren.

Dies impliziert, dass bei Sonnenscheinspitzen die breiteren PWMs das PNP-Gerät dazu zwingen, spärlich zu leiten (reduzierte T (Ein) Zeitdauer), was dazu führt, dass engere Wellenformen den Buck-Induktor erreichen ... aber da die Panel-Spannung hoch ist, ist der Eingangsspannungspegel hoch Das Erreichen der Buck-Induktivität {V (in)} entspricht dem Spannungspegel der Schalttafel.

Somit kann in dieser Situation der Tiefsetzsteller mit Hilfe des korrekt berechneten T (ein) und des V (in) die korrekte erforderliche Ausgangsspannung für die Last erzeugen, die viel niedriger als die Plattenspannung sein könnte, jedoch bei ein proportional erhöhter Strompegel (Ampere).

Wenn der Sonnenschein abfällt, werden auch die PWMs schmaler, so dass der PNP T (ein) proportional ansteigt, was wiederum dem Buck-Induktor hilft, den abnehmenden Sonnenschein zu kompensieren, indem die Ausgangsspannung proportional erhöht wird ... der Strom (Ampere) ) Der Faktor wird jetzt im Verlauf der Aktion proportional reduziert, um sicherzustellen, dass die Ausgangskonsistenz durch den Tiefsetzsteller perfekt erhalten bleibt.

T2 bildet zusammen mit den zugehörigen Komponenten die Strombegrenzungsstufe oder die Fehlerverstärkerstufe. Es stellt sicher, dass die Ausgangslast niemals etwas verbrauchen darf, das über den Nennspezifikationen des Designs liegt, so dass das System niemals klappert und die Leistung des Solarmoduls niemals von seiner Hocheffizienzzone abweicht.

C5 wird als 100-uF-Kondensator dargestellt. Für ein verbessertes Ergebnis kann dieser Wert jedoch auf 2200 uF erhöht werden, da höhere Werte eine bessere Welligkeitsstromregelung und eine gleichmäßigere Spannung für die Last gewährleisten.

P1 dient zum Einstellen / Korrigieren der Offset-Spannung des Operationsverstärkerausgangs, so dass Pin Nr. 5 in Abwesenheit einer Solarpanel-Spannung oder wenn die Solarpanel-Spannung unter den Lastspannungsspezifikationen liegt, eine perfekte Nullspannung empfangen kann.

Die L1-Spezifikation kann mit Hilfe der Informationen im folgenden Artikel ungefähr bestimmt werden:

Berechnen von Induktivitäten in SMPS-Schaltkreisen

Solar Optimizer mit Operationsverstärkern

Eine weitere sehr einfache und dennoch effektive Solaroptimierungsschaltung kann mit einem LM338-IC und einigen Operationsverstärkern hergestellt werden.

Lassen Sie uns die vorgeschlagene Schaltung (Solaroptimierer) anhand der folgenden Punkte verstehen: Die Abbildung zeigt eine Spannungsreglerschaltung LM338, die eine Stromregelungsfunktion auch in Form des Transistors BC547 aufweist, der über die Einstellung und den Erdungsstift des IC angeschlossen ist.

Opamps werden als Komparatoren verwendet

Die beiden Operationsverstärker sind als Komparatoren konfiguriert. Tatsächlich können viele solcher Stufen zur Verstärkung der Wirkungen eingebaut werden.

In der vorliegenden Ausführung wird die Voreinstellung für Pin Nr. 3 von A1 so eingestellt, dass die Ausgabe von A1 hoch wird, wenn die Sonnenscheinintensität über dem Panel etwa 20% unter dem Spitzenwert liegt.

In ähnlicher Weise wird die A2-Stufe so eingestellt, dass ihre Leistung hoch wird, wenn der Sonnenschein etwa 50% unter dem Spitzenwert liegt.

Wenn der A1-Ausgang hoch geht, löst RL # 1 die Verbindung von R2 in Übereinstimmung mit der Schaltung aus und trennt R1.

Bei maximalem Sonnenschein lässt R1, dessen Wert viel niedriger gewählt wird, den maximalen Strom zur Batterie gelangen.

Schaltplan

Wenn die Sonne scheint, fällt auch die Spannung des Panels ab, und jetzt können wir es uns nicht leisten, starken Strom aus dem Panel zu ziehen, da dies die Spannung unter 12 V senken würde, was den Ladevorgang vollständig stoppen könnte.

Relaisumschaltung zur Stromoptimierung

Daher tritt A1 wie oben erläutert in Aktion und trennt R1 und verbindet R2. R2 wird auf einen höheren Wert gewählt und lässt nur eine begrenzte Strommenge zur Batterie zu, so dass die Sonnenspannung nicht unter 15 Vots fällt, ein Pegel, der am Eingang des LM338 unbedingt erforderlich ist.

Wenn der Sonnenschein unter den zweiten eingestellten Schwellenwert fällt, aktiviert A2 RL # 2, der wiederum R3 schaltet, um den Strom zur Batterie noch niedriger zu machen, um sicherzustellen, dass die Spannung am Eingang des LM338 niemals unter 15 V fällt, die Laderate jedoch auf Die Batterie wird immer auf dem nächstgelegenen optimalen Niveau gehalten.

Wenn die Operationsverstärkerstufen mit mehr Relais und nachfolgenden Stromregelungsmaßnahmen erhöht werden, kann das Gerät mit noch besserer Effizienz optimiert werden.

Das obige Verfahren lädt den Akku bei Sonnenscheinspitzen schnell mit hohem Strom auf und senkt den Strom, wenn die Sonnenintensität über dem Panel abfällt, und versorgt den Akku entsprechend mit dem richtigen Nennstrom, so dass er am Ende des Tages vollständig aufgeladen wird.

Was passiert mit einer Batterie, die möglicherweise nicht entladen wird?

Angenommen, falls die Batterie nicht optimal entladen ist, um den oben beschriebenen Vorgang am nächsten Morgen durchzuführen, kann die Situation für die Batterie fatal sein, da der anfänglich hohe Strom negative Auswirkungen auf die Batterie haben kann, da sie noch nicht bis zur angegebenen Entladung entladen ist Bewertungen.

Um das obige Problem zu überprüfen, werden einige weitere Operationsverstärker A3, A4 eingeführt, die den Spannungspegel der Batterie überwachen und die gleichen Aktionen wie A1, A2 einleiten, so dass der Strom zur Batterie in Bezug auf optimiert wird die Spannung oder den Ladezustand, die während dieses Zeitraums mit der Batterie vorhanden sind.