Solarni 12V SLA punjač baterija: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Prije nekog vremena došao sam u posjed "limuna" paralelnog ATV-a. Dovoljno je reći da s tim mnogo griješi. U jednom sam trenutku odlučio: "HEJ, trebao bih samo izgraditi vlastiti snažni punjač solarnih baterija samo kako bi se jeftina baterija mrtva kao nokat na noktima napunila dok farovi rade!" Na kraju je to preraslo u ideju da "HEJ, trebao bih upotrijebiti to sranje baterije za napajanje nekih udaljenih projekata koje sam planirao!"

Tako je rođen punjač solarnih baterija "Lead Buddy".

U početku sam razmišljao o tome da izvedem svoj dizajn prema Sparkfunovom "Sunčanom prijatelju" (otuda sam i dobio ime), ali slučajno sam primijetio da je komponenta koju sam već koristio u drugom projektu zapravo imala napomenu o upotrebi kao punjač solarne baterije (koji sam propustio prije pregledavanja podatkovne tablice) - LTC4365 analognog uređaja! Nema MPPT, ali hej, nema ni Sparkfunin "Sunny Buddy" (barem ne pravi MPPT ionako …). Dakle, kako ćemo to točno popraviti? Pa, dragi čitatelju, pregledavaš bilješke o aplikacijama !!! Konkretno, Microchip -ov AN1521 "Praktični vodič za implementaciju MPPT algoritama solarnih panela". To je zapravo vrlo zanimljivo štivo i nudi vam više različitih metoda provedbe MPPT kontrole. Potrebna su vam samo dva senzora, osjetnik napona (razdjelnik napona) i osjetnik struje, a potreban vam je točno jedan izlaz. Slučajno sam znao za poseban osjetnik struje koji se može koristiti s N-kanalnim MOSFET-om, nazvan IR25750 iz International Rectifier. Njihov AN-1199 na IR25750 također je zanimljivo štivo. Konačno, potreban nam je mikrokontroler za povezivanje cijele stvari zajedno, a budući da nam trebaju samo 3 pina, unesite ATtiny10!

Korak 1: Odabir dijelova, crtanje shema

Sada kada imamo naša 3 primarna dijela, moramo početi birati razne druge komponente koje trebaju pratiti naše IC -ove. Naša sljedeća važna komponenta su naši MOSFET-ovi, konkretno za ovu reviziju (za više informacija o tome pogledajte zadnji korak), odlučio sam koristiti DVA SQJB60EP Dual N-kanalna MOSFET-a. Jednim MOSFET-om upravlja isključivo LTC4365, a drugi MOSFET je postavljen tako da jedan FET djeluje kao "idealna niska dioda" namijenjena za zaštitu od obrnutog ulaza (ako to tražite na google-u, vjerojatno nećete doći do bilješke o aplikacijama TI-a i Maxim-a na tu temu, morao sam to iskopati.), dok se ostalim FET-om upravlja ATtiny10-ov 16-bitni PWM mjerač vremena (ili bilo koju drugu rezoluciju koju odaberete …). Slijede naši pasivi, koje iskreno nije toliko važno nabrojati. Sastoje se od otpornika za programiranje razdjelnika napona/punjača i raznih zaobilaznih/skladišnih kondenzatora, samo se pobrinite da vaši otpornici mogu podnijeti snagu koja im se raspršuje i da li vaši kondenzatori imaju razumna temperaturna odstupanja (X5R ili bolje). Važno je napomenuti da zbog načina na koji je ovo dizajnirano, baterija MORA biti priključena na ploču kako bi radila.

LTC4365 sam postavio tako da može puniti 12 ili 24V baterije prebacivanjem kratkospojnika (kako bi OV pin na punjaču dobio 0,5V kada je baterija napunjena na oko 2,377V/ćeliju za 12V baterije). Razdjelnik napona punjača također je temperaturno kompenziran kroz 5k PTC otpornik koji se povezuje na ploču putem 2,54 mm zaglavlja i spojiće se na bočnu stranu baterije bilo toplinski vodljivom smjesom za zalijevanje, ili čak ljepljivom trakom. Također moramo koristiti nekoliko zenera tijekom dizajna, naime za pogon MOSFET -a obrnutog napona (kao i za napajanje drugog FET -a u slučaju da komponente MPPT ne instalirate putem skakača) i za zaštitu LTC4365 igle od prenapona. Napajat ćemo ATtiny10 s 5V automobilskim regulatorom za ulaz 40V.

Osigurači…

Važno je napomenuti da morate UVIJEK imati osigurače na ulazima i izlazima kada su u pitanju punjači baterija, te da UVIJEK trebate koristiti OV zaštitu na visokostrujnim ulazima (IE-baterija). Ulazi male struje ne mogu se lako implementirati OVP (IE-poluga), jer često ne mogu proizvesti dovoljno struje da isključe prekidač/osigurač. To može dovesti do fatalne situacije u kojoj će se vaš TRIAC/SCR početi pregrijavati, potencijalno neće uspjeti, uzrokujući oštećenje komponenti na liniji ili uzrokujući eksploziju vašeg projekta. Morate biti u mogućnosti opskrbiti dovoljno struje da biste pravovremeno pregoreli osigurač (što naša baterija od 12 V MOŽE). Što se tiče osigurača, odlučio sam otići s 0453003. MR od Littlefuse. To je fantastičan osigurač u vrlo malom SMD pakiranju. Odlučite li se za veće osigurače, poput osigurača 5x20 mm, MOLIM VAS, ZA LJUBAV ŠTO VIŠE MOLITE … Ne koristite staklene osigurače. Stakleni osigurači mogu se razbiti kad puknu, šaljući komadiće vrućeg rastopljenog metala i oštro staklo po cijeloj ploči čineći pritom svakakva oštećenja. UVIJEK koristite keramičke osigurače, većina ih je napunjena pijeskom, tako da prilikom puhanja ne isprže vašu dasku ili vašu kuću (da ne spominjemo da bi i sama keramika trebala pomoći u zaštiti, slično keramičkom oklopu koji se koristi za zaštitu suvremenih borbenih vozila od bojevih glava s nabojem/ STVARNO VRIJETNI MLAZOVI PLAZME). Biti u stanju "vidjeti" tu žicu u svom osiguraču (to, možda ionako možda nećete moći vidjeti, pogotovo ako ste gotovo slijepi) ne vrijedi imati tinjajuću hrpu ugljena tamo gdje je nekad bila vaša kuća. Ako trebate provjeriti osigurač, upotrijebite multimetar da provjerite njegov otpor.

ESD zaštita

Davno su prošli dani u kojima smo se za zaštitu naših elektroničkih projekata oslanjali isključivo na skupe varistore od 5-10 USD. UVIJEK biste trebali ubaciti neke TVS ili Transient Voltage Supression diode. Doslovno nema razloga da to ne učinite. Svaki ulaz, osobito ulaz solarne ploče, trebao bi biti zaštićen od ESD -a. U slučaju udara groma u blizini vaših solarnih panela/bilo koje žičane žice, ta mala TVS dioda, u kombinaciji s osiguračem, može spriječiti da se vaš projekt ošteti bilo kakvim ESD/EMP-om (to je ono što munja štrajk je, nekako….). Nisu ni približno toliko izdržljivi kao MOV -ovi, ali zasigurno mogu obaviti posao većinu vremena.

Što nas dovodi do sljedeće stavke, Spark gaps. "Što su iskrice?!?" Pa, svjećice su u biti samo trag koji se proteže u ravninu uzemljenja s jednog od vaših ulaznih pinova, koji ima uklonjenu masku za lemljenje s nje i lokalne ravnine zemlje i izložen je otvorenom zraku. Jednostavno rečeno, omogućuje ESD -u luk ravno u vašu ravninu uzemljenja (put najmanjeg otpora) i nadamo se da će poštedjeti vaš krug. Ne koštaju apsolutno ništa za dodavanje, pa ih uvijek trebate dodati gdje god možete. Pomoću Paschenovog zakona možete izračunati udaljenost koja vam je potrebna između vašeg traga i ravnine zemlje kako biste zaštitili određeni napon. Neću raspravljati o tome kako to izračunati, ali dovoljno je reći da se preporučuje opće poznavanje računa. U suprotnom, trebali biste biti u redu s razmakom od 6-10mil između traga i tla. Također se preporučuje korištenje zaobljenog traga. Pogledajte sliku koju sam postavio za ideju o tome kako je primijeniti.

Zemljani avioni

Nema razloga da se u većini projekata elektronike ne koristi jedna velika masa za uzemljenje. Nadalje, iznimno je rasipno ne koristiti mljevene izlijevače jer će se sav bakar morati gravirati. Već plaćate bakar, možda ga i ne biste zagađivali u kineskim plovnim putovima (ili bilo gdje drugo) i dobro ga iskoristili kao svoj prizemni avion. Izlijevani izljevi imaju vrlo ograničenu uporabu u modernoj elektronici i rijetko se, ako se ikad više koriste u tu svrhu, budući da izljevi s čvrstim tlom navodno imaju bolje kvalitete za visokofrekventne signale, a da ne spominjemo da su bolji u zaštiti osjetljivih tragova I mogu pružiti neki zaobilazni put kapacitivnosti s ravninom "pod naponom" ako koristite višeslojnu ploču. Također je važno napomenuti da ako koristite pećnicu s ponovnim punjenjem ili stanicu za preradu toplog zraka, ne preporučuje se spajanje čvrste uzemljene ravnine s pasivnim komponentama jer one mogu "nadgrobnu ploču" pri ponovnom punjenju jer zemlja ima veću toplinsku masu to se mora zagrijati da bi se lem otopio. To svakako možete učiniti ako ste oprezni, ali trebate koristiti termičke rastezljive jastučiće ili ono što EasyEDA naziva "žbice" za spajanje uzemljenja vaše pasivne komponente. Moja ploča koristi termičke rastezljive jastučiće, iako budući da lemim ručno, to u svakom slučaju nije važno.

O odvođenju topline …

Naš solarni punjač ne bi trebao odvoditi previše topline, čak ni pri najvećoj projektiranoj struji od 3A (ovisno o osiguraču). U najgorem slučaju, naš SQJB60EP ima otpor na 0.016mOhm na 4.5V na 8A (SQJ974EP u mojoj drugoj reviziji, na 0.0325mOhm, pogledajte moje bilješke na kraju za više informacija). Koristeći Ohmov zakon, P = I^2 * R, naša disipacija snage iznosi 0,144 W pri 3A (Sada vidite zašto sam koristio N -kanalne MOSFET -ove za naš MPPT i "diodni" krug obrnutog napona). Naš automobilski regulator od 5 V također se ne bi trebao previše rasipati, jer crtamo samo nekoliko desetaka miliampera. S baterijom od 12 V, pa čak i 24 V, ne bismo trebali vidjeti dovoljan gubitak energije na regulatoru da bismo se zaista morali brinuti da li će ga toplina potopiti, međutim, prema izvrsnoj napomeni TI -ja o tom pitanju, većina vaše energije će se rasipati jer će toplina provoditi natrag u samu PCB, jer je to put najmanjeg otpora. Na primjer, naš SQJB60EP ima toplinski otpor od 3,1C/W prema odvodnoj podlozi, dok plastično pakiranje ima toplinski otpor od 85C/W. Toplota je mnogo učinkovitija ako se izvrši putem same PCB-a, postavljanjem lijepih velikih ravnina za vaše komponente koje odvode puno topline (pretvarajući tako vašu PCB u rasipač glave) ili usmjeravanjem prelaza na suprotnu stranu ploče manja ravnina na vrhu za kompaktniji dizajn. (Usmjeravanje toplinskih vija u ravninu na suprotnoj strani ploče također omogućuje jednostavno pričvršćivanje hladnjaka/puža na stražnju stranu ploče ili da se ta toplina rasipa kroz ravninu uzemljenja druge ploče kada je pričvršćena kao modul.) Na jedan brz i prljav način možete izračunati koliko snage možete sigurno rasipati iz komponente (Tj - Tamb) / Rθja = Snaga. Za više informacija, toplo vas potičem da pročitate bilješku o aplikaciji TI.

I konačno…

Ako želite da vaš projekt bude unutar kontejnera, kao što planiram učiniti jer će se očito koristiti vani, uvijek morate odabrati svoj spremnik/kutiju prije polaganja ploče. U mom slučaju, odabrao sam Polycaseov EX-51 i tako sam dizajnirao svoju ploču. Također sam dizajnirao ploču "prednje ploče", koja se povezuje s kasteliranim "rupama" solarnog ulaza, ili točnije, utorima (koji odgovaraju ploči debljine 1,6 mm). Spajajte ih zajedno i spremni ste. Ova ploča ima vodootporne priključke tvrtke Switchcraft. Još nisam odlučio hoću li koristiti "prednju ploču" ili "stražnju ploču", ali bez obzira na to, trebat će mi i "vodootporna kabelska uvodnica" bilo za ulaz ili izlaz, kao i za naš baterijski termistor. Osim toga, moj punjač može se instalirati i na ploču kao modul (dakle kastelirane rupe).

Korak 2: Nabavite svoje dijelove

Naručivanje dijelova može biti mučan zadatak, s obzirom na to koliko ima prodavača, i s obzirom na činjenicu da će se mali dijelovi s vremena na vrijeme izgubiti (npr. Otpornici, kondenzatori). Zapravo, izgubio sam otpornike za krug punjenja baterije od 24V. Srećom, neću koristiti 24V krug za punjenje.

Odlučio sam naručiti svoj PCB iz JLCPCB -a jer je jeftin. Čini se da su se također prebacili na postupak "foto-slike", koji ostavlja lijepe oštre svilene ekrane (i maske za lemljenje) otkad sam ih zadnji put naručio. Nažalost, više ne pružaju besplatnu dostavu, pa ćete morati pričekati jedan ili dva tjedna da biste je dobili, ili morate platiti 20 USD+ da biste je poslali putem DHL -a…. Što se tiče mojih komponenti, išao sam sa Arrow -om jer imaju besplatnu dostavu. Morao sam samo kupiti termistor od Digikeyja, jer ga Arrow nije imao.

Obično su pasivi veličine 0603 A-OK za lemljenje. Komponente veličine 0402 mogu biti teške i lako se gube, pa naručite barem dvostruko više nego što vam je potrebno. Uvijek provjerite jesu li vam poslali sve vaše komponente. To je osobito važno ako ne objedine vašu narudžbu i umjesto toga vam pošalju 20 različitih kutija putem FedExa.

Korak 3: Priprema …

Priprema za lemljenje …. Za lemljenje vam zaista ne treba toliko alata. Jeftino, umjereno napajano lemilo, fluks, lemljenje, pinceta i šnale su sve što vam treba. Također biste trebali imati spreman aparat za gašenje požara, a UVIJEK biste trebali imati pripremljenu masku za filtriranje onečišćenja iz zraka koja se odstranjuje fluksom, koji je kancerogen/otrovan.

Korak 4: Sastavite to zajedno

Sastavljanje vašeg PCB -a je vrlo jednostavno. To je uglavnom samo "kositrite jedan jastučić, lemite jedan pin na taj jezičak, a zatim" povucite lemljenje "ostale igle". Za lemljenje SMD komponenti ne trebate mikroskop ili otmjenu prepravnu stanicu. Ne trebate čak ni povećalo za bilo što veće od i 0603 (a ponekad i 0402) komponente. Samo pazite da nema spojenih klinova i da nemate hladnih spojeva. Ako vidite nešto "smiješno", stavite malo fluksa na njega i udarite ga željezom.

Što se tiče protoka, vjerojatno biste trebali koristiti fluks koji nije čist jer je sigurno ostaviti ga na ploči. Nažalost, bol je očistiti ga s ploče. Da biste očistili fluks koji se ne čisti, uklonite što je moguće veće količine nekih visokokvalitetnih alkohola, koncentracije iznad 90% i vate. Zatim ga dobro očetkajte starom četkicom za zube (stare električne četkice za zube/glave četkica za zube lijepo funkcioniraju). Na kraju zagrijte malo destilirane vode za kupku s toplom vodom. Možete koristiti neki deterdžent za suđe ako želite (samo pazite da vam kraljevski ne zašrafi ploču, ne smije oštetiti gole veze na vašoj PCB -u jer su deterdženti za posuđe dizajnirani za "pričvršćivanje" na organske komponente putem hidrofobnih komponenta sapuna. Hidrofobno-hidrofilno djelovanje osigurava polarna/nepolarna ugljikovodična/alkalna struktura njegovih molekula i može se isprati pomoću hidrofilne komponente. Stvarno, jedini je problem kada se ne ispere pravilno destiliranom vodom ili ako je izuzetno korozivna). IFF-om nekim čudom doista uklonite sav nečisti fluks alkoholom, a vjerojatno nećete, možete preskočiti pranje ploče zajedno.

Nakon otprilike 30 minuta, vruća voda trebala bi razbiti ostatak ljepljivih ostataka na ploči, a zatim možete otići u grad sa četkicom za zube i skinuti ostatak. Dobro isperite i pustite da se osuši u tosteru na najnižem položaju ili ostavite da se osuši najmanje 24 sata na otvorenom. U idealnom slučaju, trebali biste koristiti toster ili jeftin pištolj s vrućim zrakom iz tvrtke Harbour Freight koji je dovoljno udaljen da ništa ne pržite. Na isti način možete koristiti i komprimirani zrak.

Kao napomenu, budite oprezni pri četkanju PCB -a jer možete olabaviti komponente. Ne morate pritiskati jako, tek toliko da čekinje uđu između komponenti.

Korak 5: Solarni paneli …