Зарядное устройство 12 В SLA на солнечной батарее: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Некоторое время назад мне попался «Лимонный» бок о бок квадроцикл. Достаточно сказать, что в этом есть МНОГО плохого. В какой-то момент я решил, что «ЭЙ, я должен просто построить свое собственное мощное зарядное устройство на солнечной батарее, чтобы поддерживать заряд дешевой, мертвой, как дверной гвоздь, аккумуляторной батареи, пока включены фары!» В конце концов это переросло в идею: «ЭЙ, я должен использовать эту какашку батарею для питания некоторых удаленных проектов, которые я планировал!»

Так родилось зарядное устройство для солнечных батарей Lead Buddy.

Первоначально я рассматривал создание своего дизайна на основе Sparkfun "Sunny Buddy" (отсюда и название), но случайно я заметил, что компонент, который я уже использовал в другом проекте, на самом деле имел примечание по применению. в качестве зарядного устройства для солнечной батареи (которое я пропустил при просмотре таблицы данных ранее) - LTC4365 от Analog Device! У него нет MPPT, но эй, да и "Sunny Buddy" Sparkfun тоже (по крайней мере, не настоящий MPPT…). Итак, как именно это исправить? Ну что ж, читатель, полистай заметки по приложениям !!! В частности, Microchip AN1521 «Практическое руководство по реализации алгоритмов MPPT солнечных панелей». На самом деле это довольно интересное чтение, и оно предоставляет вам несколько различных методов реализации управления MPPT. Вам нужны только два датчика, датчик напряжения (делитель напряжения) и датчик тока, и вам нужен ровно один выход. Мне довелось узнать о специальном датчике тока, который можно использовать с N-канальным MOSFET, под названием IR25750 от International Rectifier. Их AN-1199 на IR25750 тоже интересно читать. Наконец, нам нужен микроконтроллер, чтобы связать все вместе, и, поскольку нам нужно всего 3 контакта, введите ATtiny10!

Шаг 1: выбор деталей, схемы чертежей

Теперь, когда у нас есть 3 основные части, мы должны начать выбирать различные другие компоненты, которые должны сопровождать наши микросхемы. Наш следующий важный компонент - это наши МОП-транзисторы, в частности, для этой версии (см. Последний шаг для получения дополнительной информации), я решил использовать ДВА двухканальных МОП-транзистора SQJB60EP. Один полевой МОП-транзистор управляется исключительно LTC4365, а другой полевой МОП-транзистор настроен так, что один полевой транзистор действует как «идеальный диод низкого напряжения», предназначенный для защиты от обратного входа (если вы поищете это в Google, вы, вероятно, не придумаете заметки по применению от TI и Maxim по этому поводу, мне пришлось копать), в то время как другой полевой транзистор управляется 16-битным ШИМ-таймером ATtiny10 (или любым другим разрешением, которое вы выберете…). Затем идут наши пассивы, которые, честно говоря, не так уж и важны для перечисления. Они состоят из резисторов для программирования делителей напряжения / зарядного устройства и различных байпасных / накопительных конденсаторов, просто убедитесь, что ваши резисторы могут выдерживать мощность, рассеиваемую через них, и что ваши конденсаторы имеют разумные температурные допуски (X5R или выше). Важно отметить, что из-за того, как это устроено, батарея ДОЛЖНА быть прикреплена к плате, чтобы она работала.

Я настроил LTC4365, чтобы можно было заряжать батареи 12 или 24 В, переключая перемычку (чтобы обеспечить вывод OV на зарядном устройстве напряжением 0,5 В, когда батарея заряжена примерно до 2,387 В на элемент для аккумуляторов 12 В). Делитель напряжения зарядного устройства также имеет температурную компенсацию с помощью резистора PTC 5 кОм, который подключается к плате через разъем 2,54 мм и подключается к боковой стороне батареи либо с помощью теплопроводящего компаунда, либо даже изоленты. Мы также должны использовать пару стабилитронов на протяжении всей конструкции, а именно для управления MOSFET обратного напряжения (а также для подачи питания на другой полевой транзистор в случае, если вы не устанавливаете компоненты MPPT через перемычку) и для защиты LTC4365. штыри от перенапряжения. Мы будем питать ATtiny10 от автомобильного регулятора 5 В, рассчитанного на вход 40 В.

Предохранители…

Одна важная вещь, на которую следует обратить внимание, это то, что вы должны ВСЕГДА иметь предохранители на ваших входах и выходах, когда дело касается зарядных устройств, и что вы должны ВСЕГДА использовать защиту от перенапряжения на сильноточных входах (IE-батарея). Слаботочные входы не могут быть легко реализованы OVP (схемы IE-лома), поскольку они часто не могут производить достаточный ток для срабатывания выключателя / предохранителя. Это может привести к фатальной ситуации, когда ваш TRIAC / SCR начнет перегреваться, потенциально выйдет из строя, что приведет либо к повреждению ваших компонентов на линии, либо к взрыву вашего проекта в огне. Вы должны быть в состоянии обеспечить достаточный ток, чтобы действительно своевременно сжечь предохранитель (что МОЖЕТ сделать наша батарея 12 В). Что касается предохранителей, я решил выбрать 0453003. MR от Littlefuse. Это фантастический предохранитель в очень маленьком SMD-корпусе. Если вы решите использовать более крупные предохранители, такие как предохранители 5x20 мм, ПОЖАЛУЙСТА, ВО ИЗБЕЖАНИЕ КАКОГО-ТО ВЫСШЕГО СУЩЕСТВА МОЛИТЕСЬ….. Не используйте стеклянные предохранители. Стеклянные предохранители могут разбиться, когда они взорвутся, посылая кусочки горячего расплавленного металла и острого стекла по всей доске, нанося при этом всевозможные повреждения. ВСЕГДА используйте керамические предохранители, большинство из них заполнено песком, чтобы, когда они взорвались, они не поджарили вашу доску или ваш дом (не говоря уже о том, что сама керамика также должна способствовать защите, подобно используемой керамической броне. для защиты современных боевых машин от кумулятивных боеголовок / ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ГОРЯЧИЕ СТРУИ ПЛАЗМЫ). Возможность «видеть» этот маленький провод в предохранителе (который вы все равно не сможете видеть, особенно если вы почти ослеп) не стоит иметь тлеющую кучу угля на месте вашего дома. Если вам нужно проверить предохранитель, используйте мультиметр, чтобы проверить его сопротивление.

Защита от электростатического разряда

Давно прошли те времена, когда мы полагались исключительно на дорогие варисторы за 5-10 долларов для защиты наших электронных проектов. Вы должны ВСЕГДА добавлять диоды TVS или подавления переходного напряжения. Буквально нет причин не делать этого. Любой вход, особенно вход солнечной панели, должен быть защищен от электростатического разряда. В случае удара молнии рядом с вашими солнечными панелями / любым участком провода этот маленький TVS-диод в сочетании с предохранителем может предотвратить повреждение вашего проекта от любого вида электростатического разряда / ЭМИ (а это и есть молния). удар есть, вроде….). Они не так долговечны, как MOV, но они определенно могут выполнять свою работу большую часть времени.

Это подводит нас к следующему пункту, Spark Gaps. "Что такое искровые разрядники?!?" Что ж, искровые промежутки - это, по сути, просто след, который простирается в плоскость заземления от одного из ваших входных контактов, с которого снята паяльная маска и местная пластина заземления, и подвергается воздействию открытого воздуха. Проще говоря, он позволяет электростатическому разряду проходить прямо в вашу заземляющую поверхность (путь наименьшего сопротивления) и, надеюсь, избавит вашу цепь. Их добавление абсолютно ничего не стоит, поэтому вы всегда должны добавлять их там, где это возможно. Вы можете рассчитать необходимое расстояние между дорожкой и заземленной поверхностью для защиты от некоторого напряжения с помощью закона Пашена. Я не собираюсь обсуждать, как это вычислить, но достаточно сказать, что рекомендуется общее знание математического анализа. В противном случае у вас должно быть все в порядке с промежутком 6-10 мил между дорожкой и землей. Также рекомендуется использовать округлый след. Посмотрите на картинку, которую я опубликовал, чтобы понять, как это реализовать.

Наземные самолеты

Нет причин не использовать одну большую заливку грунта в большинстве проектов электроники. Кроме того, крайне расточительно не использовать заливку земли, так как всю эту медь придется стравливать. Вы уже платите за медь, с тем же успехом вы можете не допустить, чтобы она загрязняла водные пути Китая (или где-то еще), и использовали бы ее в качестве заземления. Заштрихованные заливки имеют очень ограниченное применение в современной электронике и редко, если вообще когда-либо используются для этого эффекта, поскольку твердые грунтовые заливки якобы имеют лучшие качества для высокочастотных сигналов, не говоря уже о том, что они лучше экранируют чувствительные следы И могут обеспечить некоторый обход емкость с «живой» плоскостью, если использовать многослойную плату. Также важно отметить, что если вы используете печь оплавления или паяльную станцию с горячим воздухом, то соединения сплошной заземляющей поверхности с пассивными компонентами не рекомендуется, так как они могут «надгробить» при оплавлении, так как заземленная пластина имеет большую тепловую массу. который необходимо нагреть, чтобы припой расплавился. Вы, конечно, можете сделать это, если будете осторожны, но вы должны использовать терморазгрузочные площадки или то, что EasyEDA называет «спицами» для подключения заземляющей площадки пассивного компонента. На моей плате используются терморазгрузочные площадки, хотя, поскольку я паяю вручную, в любом случае это не имеет значения.

Отвод тепла…

Наше солнечное зарядное устройство не должно рассеивать слишком много тепла даже при максимальном расчетном токе 3 А (в зависимости от предохранителя). В худшем случае сопротивление нашего SQJB60EP составляет 0,016 мОм при 4,5 В при 8 А (SQJ974EP в моей второй версии при 0,0325 мОм, дополнительную информацию см. В моих примечаниях в конце). Используя закон Ома, P = I ^ 2 * R, наша рассеиваемая мощность составляет 0,144 Вт при 3 А (теперь вы понимаете, почему я использовал N-канальные МОП-транзисторы для нашей схемы MPPT и «диодной» схемы обратного напряжения). Наш автомобильный регулятор на 5 В тоже не должен рассеивать слишком много энергии, поскольку мы потребляем не более пары десятков миллиампер. С батареей 12 В или даже 24 В мы не должны видеть достаточных потерь мощности на регуляторе, чтобы действительно беспокоиться о его теплоотводе, однако, согласно отличному примечанию по применению TI по этой проблеме, большая часть вашей мощности рассеивается в виде тепла. проводите обратно в саму печатную плату, так как это путь наименьшего сопротивления. Например, наш SQJB60EP имеет тепловое сопротивление сливной подушке 3,1 ° C / Вт, тогда как пластиковый корпус имеет тепловое сопротивление 85 ° C / Вт. Отвод тепла намного эффективнее, когда он осуществляется через саму печатную плату, т.е. разводка хороших больших плоскостей для ваших компонентов, которые рассеивают много тепла (таким образом, ваша печатная плата превращается в разбрасыватель головы), или прокладка переходных отверстий на противоположную сторону платы от меньшая плоскость наверху для создания более компактных конструкций. (Направление тепловых переходных отверстий в плоскость на противоположной стороне платы также позволяет легко прикрепить радиатор / заглушку к задней стороне платы или обеспечить отвод тепла через заземляющую поверхность другой платы, когда она прикреплена как Модуль.) Один быстрый и грязный способ подсчитать, сколько мощности вы можете безопасно рассеять от компонента, это (Tj - Tamb) / Rθja = Power. Для получения дополнительной информации я настоятельно рекомендую вам прочитать примечание к приложению TI.

И наконец…

Если вы хотите, чтобы ваш проект находился внутри контейнера, как я планирую сделать, поскольку он, очевидно, будет использоваться снаружи, вы всегда должны выбирать свой контейнер / коробку до того, как выложить свою доску. В моем случае я выбрал EX-51 от Polycase и сконструировал свою доску именно так. Я также разработал плату «передней панели», которая подключается к зубчатым «отверстиям» солнечного входа, или, точнее, к слотам (которые подходят для платы толщиной 1,6 мм). Спаяйте их вместе, и все готово. На этой панели есть водонепроницаемые разъемы от Switchcraft. Я еще не решил, буду ли я использовать «переднюю панель» или «заднюю панель», но, тем не менее, мне также понадобится «водонепроницаемый кабельный ввод» для входа или выхода, а также для термистора нашей батареи. Кроме того, мое зарядное устройство также может быть установлено на плате в виде модуля (отсюда и зубчатые отверстия).

Шаг 2: получение запчастей

Заказ запчастей может быть мучительной задачей, учитывая количество продавцов и тот факт, что время от времени будут теряться мелкие детали (например, резисторы, конденсаторы). Фактически я потерял резисторы для цепи зарядки аккумулятора 24В. К счастью, я не буду использовать схему зарядки 24 В.

Я решил заказать свою печатную плату в JLCPCB, потому что она очень дешевая. Они также, кажется, переключились на процесс «фотоизображения», который оставляет красивые четкие шелкографии (и паяльные маски) с тех пор, как я последний раз заказывал у них. К сожалению, они больше не предоставляют бесплатную доставку, поэтому вам придется либо подождать одну-две недели, чтобы получить его, либо вам придется заплатить 20 долларов США за доставку через DHL…. Что касается моих компонентов, я выбрал Arrow, так как у них бесплатная доставка. Мне нужно было только купить термистор у Digikey, так как у Эрроу его не было.

Обычно пассивные элементы размера 0603 подходят для пайки. Компоненты размера 0402 могут оказаться сложными и легко потеряться, поэтому заказывайте как минимум в два раза больше, чем вам нужно. Всегда проверяйте, отправили ли вам все ваши компоненты. Это особенно важно, если они не объединяют ваш заказ, а вместо этого отправляют вам 20 разных ящиков через FedEx.

Шаг 3. Подготовка…

Готовимся к пайке…. Для пайки не нужно столько инструментов. Дешевый паяльник средней мощности, флюс, припой, пинцет и ножницы - это все, что вам нужно. У вас СЛЕДУЕТ также иметь наготове огнетушитель, и вы ВСЕГДА должны иметь готовую маску для фильтрации загрязняющих веществ, переносимых по воздуху, отводимых флюсом, который является злокачественным / токсичным.

Шаг 4: Собираем все вместе

Собрать печатную плату действительно просто. Это в значительной степени просто «залудите одну контактную площадку, припаяйте один контакт к этому выступу, а затем« перетащите припой »остальные контакты». Вам не нужен микроскоп или модная паяльная станция для пайки SMD-компонентов. Вам даже не понадобится увеличительное стекло для компонентов размером больше 0603 (а иногда и 0402). Просто убедитесь, что нет перемычек и нет холодных стыков. Если вы видите что-то «смешное», нанесите немного флюса и ударьте по нему утюгом.

Что касается флюса, вам, вероятно, следует использовать флюс без очистки, так как его безопасно оставлять на доске. К сожалению, чистить его с доски - это боль. Чтобы очистить флюс, не требующий очистки, удалите как можно больше крупных загрязнений с помощью высококачественного медицинского спирта с концентрацией выше 90% и ватного тампона. Затем хорошо почистите его старой зубной щеткой (старые электрические зубные щетки / насадки для зубных щеток прекрасно подойдут). Наконец, нагрейте немного дистиллированной воды для горячей водяной бани. Вы можете использовать средство для мытья посуды, если хотите (просто убедитесь, что он не повредит вашу плату, он не должен повредить оголенные соединения на вашей печатной плате, поскольку средства для мытья посуды предназначены для «прикрепления» к органическим компонентам через гидрофобные компонент мыла. Гидрофобно-гидрофильное действие обеспечивается полярной / неполярной углеводородной / щелочной структурой его молекул и может смываться гидрофильным компонентом. На самом деле, единственная проблема заключается в том, когда оно не смывается должным образом. с дистиллированной водой или если она очень едкая). IFF каким-то чудом вы действительно избавляетесь от неочищенного флюса с помощью спирта, и вы, вероятно, этого не сделаете, вы можете вообще не мыть доску.

Примерно через 30 минут горячая вода должна разрушить остатки липких остатков на доске, затем вы можете отправиться в город со своей зубной щеткой и смыть остатки. Хорошо промойте и дайте ему высохнуть в тостере с минимальной настройкой или дайте ему высохнуть не менее 24 часов на открытом воздухе. В идеале вы должны использовать либо тостер, либо дешевый термофен от Harbour Freight, который держится достаточно далеко, чтобы ничего не поджарить. Вы также можете использовать сжатый воздух для того же эффекта.

В качестве примечания: будьте осторожны при чистке печатных плат, так как вы можете расшатать компоненты. Не нужно сильно давить, достаточно, чтобы щетина оказалась между компонентами.

Шаг 5. Солнечные панели…