Controlador de carga de painel solar para bateria de 100 Ah

Este controlador de carregamento solar abrangente foi projetado para carregar com eficácia uma grande bateria de 12 V 100 Ah com a máxima eficiência. O carregador solar é praticamente à prova de falhas em termos de sobrecarga da bateria, curto-circuito de carga ou condições de sobrecarga de corrente.

Os principais elementos deste circuito regulador solar de 100 Ah são, obviamente, o painel solar e a bateria (12 V). A bateria aqui funciona como uma unidade de armazenamento de energia.

Lâmpadas CC de baixa tensão e coisas assim podem ser acionadas diretamente da bateria, enquanto um inversor de energia pode ser operado para converter a tensão direta da bateria em 240 V CA.

No entanto, todas essas aplicações geralmente não são o tema deste conteúdo, que se concentra em conectar uma bateria a um painel solar . Pode parecer muito tentador conectar um painel solar diretamente à bateria para carregar, mas isso nunca é recomendado. Um controlador de carga apropriado é crucial para carregar qualquer bateria de um painel solar.

A principal importância do controlador de carga é reduzir a corrente de carga durante o pico de luz solar, quando o painel solar fornece maiores quantidades de corrente além do nível necessário da bateria.

Isso se torna importante porque o carregamento com alta corrente pode causar danos críticos à bateria e certamente diminuir a expectativa de vida útil da bateria.

Sem controlador de carga, o perigo de sobrecarregar a bateria geralmente é iminente, uma vez que a saída de corrente de um painel solar é diretamente determinada pelo nível de irradiação do sol ou pela quantidade de luz solar incidente.

Essencialmente, você encontrará alguns métodos para governar a corrente de carga: por meio de um regulador em série ou um regulador paralelo.

Um sistema regulador em série é geralmente na forma de um transistor que é introduzido em série entre o painel solar e a bateria.

O regulador paralelo tem a forma de um regulador “shunt” conectado em paralelo com o painel solar e a bateria. O regulador de 100 Ah explicado neste post é na verdade um controlador regulador solar paralelo.

A principal característica de um regulador shunt é que ele não requer grandes quantidades de corrente até que a bateria esteja totalmente carregada. Praticamente falando, seu próprio consumo atual é tão menor que pode ser ignorado.

Quando a bateria está totalmente carregada, no entanto, o excesso de energia é dissipado em calor. Especificamente em painéis solares maiores, essa alta temperatura requer uma estrutura relativamente grande do regulador.

Junto com seu propósito real, um controlador de carga decente também oferece segurança de várias maneiras, junto com uma proteção contra descarga profunda da bateria, um fusível eletrônico e uma segurança confiável para a inversão de polaridade para a bateria ou o painel solar.

Simplesmente porque todo o circuito é acionado pela bateria através de um diodo de proteção de polaridade incorreta, D1, o regulador de carregamento solar continua a funcionar normalmente mesmo quando o painel solar não está fornecendo corrente.

O circuito faz uso da tensão desregulada da bateria (junção D2 -R4) junto com uma tensão de referência extremamente precisa de 2,5 V. que é gerada usando o diodo Zener D5.

Como o regulador de carga por si só funciona perfeitamente com uma corrente inferior a 2 mA, a bateria mal é carregada durante a noite ou quando o céu está nublado.

O consumo mínimo de corrente pelo circuito é obtido utilizando os MOSFETs de potência tipo BUZ11, T2 e T3, cuja comutação é dependente da tensão, o que permite que funcionem com potência de acionamento praticamente nula.

controlador de carga solar para bateria de 100 ah

O controle de carga solar proposto para bateria de 100 Ah monitora a tensão da bateria e regula o nível de condução do transistor T1.

Quanto maior a voltagem da bateria, maior será a corrente passando por T1. Como resultado, a queda de tensão em torno de R19 se torna maior.

Essa tensão em R19 se torna a tensão de comutação de porta para o MOSFET T2, o que faz com que o MOSFET comute com mais força, diminuindo sua resistência de dreno para a fonte.

Devido a isso, o painel solar é carregado mais fortemente, o que dissipa o excesso de corrente através do R13 e T2.

O diodo Schottky D7 protege a bateria da reversão acidental dos terminais + e – do painel solar.

Além disso, este diodo interrompe o fluxo de corrente da bateria para o painel solar no caso de a tensão do painel cair abaixo da tensão da bateria.

Como funciona o regulador

O diagrama do circuito do regulador carregador solar de 100 Ah pode ser visto na figura acima.

Os elementos primários do circuito são alguns MOSFETs ‘pesados' e um amplificador operacional quádruplo IC.

A função deste IC pode ser dividida em 3 seções: o regulador de tensão construído em torno do IC1a, o controlador de descarga excessiva da bateria configurado em torno do IC1d e a proteção eletrônica contra curto-circuito conectada ao IC1c.

IC1 funciona como o principal componente de controle, enquanto T2 funciona como um resistor de potência adaptável. T2 junto com R13 se comporta como uma carga ativa na saída do painel solar. O funcionamento do regulador é bastante simples.

Uma parte variável da tensão da bateria é aplicada à entrada não inversora do amplificador operacional de controle IC1a por meio do divisor de tensão R4-P1-R3. Conforme discutido anteriormente, a tensão de referência de 2,5 V é aplicada à entrada inversora do amplificador operacional.

O procedimento de trabalho da regulação solar é bastante linear. O IC1a verifica a tensão da bateria e, assim que atinge a carga total, liga T1, T2, causando um desvio da tensão solar via R13.

Isso garante que a bateria não fique sobrecarregada ou carregada pelo painel solar. As peças IC1b e D3 são usadas para indicar a condição de ‘carga da bateria'.

O LED acende quando a tensão da bateria atinge 13,1 V e quando o processo de carregamento da bateria é iniciado.

Como funcionam as etapas de proteção

O opamp IC1d é configurado como um comparador para monitorar o nível de baixa tensão da bateria e garantir proteção contra descarga profunda e MOSFET T3.

A tensão da bateria é primeiro reduzida proporcionalmente para cerca de 1/4 do valor nominal pelo divisor resistivo R8 / R10, após o que é comparada com uma tensão de referência de 23 V obtida via D5. A comparação é realizada por IC1c.

Os resistores divisores de potencial são selecionados de forma que a saída de IC1d caia quando a tensão da bateria cai abaixo de um valor aproximado de 9 V.

O MOSFET T3 subsequentemente inibe e corta o link de aterramento entre a bateria e a carga. Devido à histerese gerada pelo resistor de realimentação R11, o comparador não muda de estado até que a tensão da bateria alcance 12 V novamente.

O capacitor eletrolítico C2 inibe a proteção de descarga profunda de ser ativada por quedas de tensão instantâneas devido, por exemplo, à ativação de uma carga massiva.

A proteção contra curto-circuito incluída no circuito funciona como um fusível eletrônico. Quando um curto-circuito acontece acidentalmente, ele corta a carga da bateria.

O mesmo também é implementado por meio de T3, que mostra a função dupla crucial do MOSFET T13. O MOSFET não funciona apenas como um disjuntor de curto-circuito, sua junção dreno-fonte também desempenha seu papel como um resistor de computação.

A queda de tensão gerada por este resistor é reduzida por R12 / R18 e subsequentemente aplicada à entrada inversora do comparador IC1c.

Aqui, também, a tensão precisa fornecida por D5 é utilizada como referência. Enquanto a proteção contra curto-circuito permanecer inativa, o IC1c continuará a fornecer uma saída lógica ‘alta'.

Esta ação bloqueia a condução D4, de forma que a saída IC1d decide apenas o potencial da porta T3. Uma faixa de tensão de porta de cerca de 4 V a 6 V é alcançada com a ajuda do divisor resistivo R14 / R15, permitindo que uma queda de tensão clara seja estabelecida sobre a junção dreno-fonte de T3.

Assim que a corrente de carga atinge seu nível mais alto, a queda de tensão aumenta rapidamente até que o nível seja suficiente para alternar IC1c. Isso agora faz com que sua saída se torne lógica baixa.

Devido a isso, agora o diodo D4 é ativado, permitindo que a porta T3 entre em curto com o terra. Devido a isso agora o MOSFET é encerrado, interrompendo o fluxo atual. A rede R / C R12 / C3 decide o tempo de reação do fusível eletrônico.

Um tempo de reação relativamente lento é definido para evitar a ativação incorreta da operação do fusível eletrônico devido ao aumento ocasional de alta corrente na corrente de carga.

Além disso, o LED D6 é utilizado como referência de 1,6 V, garantindo que o C3 não carregue acima deste nível de tensão.

Quando o curto-circuito é removido e a carga se desprende da bateria, o C3 é descarregado gradativamente pelo LED (isso pode levar até 7 segundos). Como o fusível eletrônico é projetado com uma resposta razoavelmente lenta, isso não significa que a corrente de carga poderá atingir níveis excessivos.

Antes que o fusível eletrônico possa ser ativado, a tensão da porta T3 avisa o MOSFET para restringir a corrente de saída ao ponto determinado por meio da configuração do P2 predefinido.

A fim de garantir que nada queime ou frite, o circuito possui adicionalmente um fusível padrão, F1, que é conectado em série com a bateria e fornece a garantia de que uma provável falha no circuito não provocaria uma catástrofe imediata.

Como escudo defensivo definitivo, o D2 foi incluído no circuito. Este diodo protege as entradas IC1a e IC1b contra danos, devido a uma conexão reversa acidental da bateria.

Selecionando o Painel Solar

A decisão sobre o painel solar mais adequado depende, naturalmente, da classificação Ah da bateria com a qual você pretende trabalhar.

O regulador de carregamento solar é basicamente projetado para painéis solares com uma tensão de saída moderada de 15 a 18 volts e 10 a 40 watts. Esses tipos de painéis normalmente se tornam adequados para baterias classificadas entre 36 e 100 Ah.

No entanto, uma vez que o regulador de carregamento solar é especificado para fornecer um consumo de corrente ideal de 10 A, painéis solares classificados em 150 watts podem ser aplicados.

O circuito regulador do carregador solar também pode ser aplicado em moinhos eólicos e com outras fontes de tensão, desde que a tensão de entrada esteja na faixa de 15-18 V.

A maior parte do calor é dissipada pela carga ativa T2 / R13. Desnecessário dizer que o MOSFET deve ser resfriado de forma eficaz por meio de um dissipador de calor e o R13 deve ser classificado de forma adequada para suportar temperaturas extremamente altas.

A potência do R13 deve estar de acordo com a classificação do painel solar. No cenário (extremo), quando um painel solar é conectado a uma tensão de saída sem carga de 21 V, e também a uma corrente de curto-circuito de 10 A, em tal cenário T2 e R13 começam a dissipar uma potência equivalente à tensão diferença entre a bateria e o painel solar (cerca de 7 V) multiplicada pela corrente de curto-circuito (10 A), ou simplesmente 70 watts!

Isso pode realmente ocorrer quando a bateria estiver completamente carregada. A maior parte da potência é liberada por R13, já que o MOSFET oferece então uma resistência muito baixa. O valor do resistor MOSFET R13 pode ser determinado rapidamente através da seguinte lei de Ohm:

R13 = P x I 2 = 70 x 10 2 = 0,7 Ohms

Este tipo de saída extrema do painel solar pode parecer incomum, no entanto. No protótipo do regulador de carregamento solar, uma resistência de 0,25 Ω / 40 W foi aplicada consistindo de quatro resistores conectados em paralelo de 1Ω / 10 W. O resfriamento necessário para T3 é calculado da mesma forma.

Supondo que a corrente de saída mais alta seja 10 A (que se compara a uma queda de tensão de aproximadamente 2,5 V na junção dreno-fonte), então uma dissipação máxima de cerca de 27 W deve ser avaliada.

Para garantir o resfriamento adequado do T3, mesmo em temperaturas de fundo excessivas (por exemplo, 50 ° C), o dissipador de calor deve usar uma resistência térmica de 3,5 K / W ou menos.

As peças T2, T3 e D7 são dispostas em um lado específico da placa de circuito impresso, facilitando sua fixação em um único dissipador de calor comum (com componentes de isolamento).

A dissipação desses três semicondutores deve, portanto, ser incluída, e neste caso queremos um dissipador de calor com especificações térmicas de 1,5 K / W ou superior. O tipo descrito na lista de peças está em conformidade com este pré-requisito.

Como configurar

Felizmente, o circuito regulador solar da bateria de 100 Ah é muito fácil de configurar. A tarefa, no entanto, exige algumas fontes de alimentação (reguladas).

Um deles é ajustado para uma tensão de saída de 14,1 V e acoplado aos cabos da bateria (designados ‘accu') no PCB. A segunda fonte de alimentação deve ter um limitador de corrente.

Esta alimentação é ajustada para a tensão de circuito aberto do painel solar, (por exemplo, 21 V, como na condição indicada anteriormente) e acoplada aos terminais de pá designados como ‘células'.

Quando ajustamos o P1 de forma adequada, a tensão deve cair para 14,1 V. Não se preocupe com isso, pois o limitador de corrente e o D7 garantem que absolutamente nada pode dar errado!

Para um ajuste eficaz de P2 deve-se trabalhar com uma carga um pouco maior que a carga mais pesada que pode ocorrer na saída. Se você deseja extrair o máximo deste projeto, tente escolher uma corrente de carga de 10 A.

Isso poderia ser realizado usando um resistor de carga de 1Ω x120 W, composto, por exemplo, de 10 resistores de 10Ω / 10 W em paralelo. O preset P2 está girado no início para ‘Máximo (limpador em direção a R14).

Depois disso, a carga é conectada aos cabos designados como ‘carga' no PCB. Lenta e cuidadosamente ajuste P2 até atingir o nível em que T3 apenas desliga e corta a carga. Após a remoção dos resistores de carga, os cabos de ‘carga' podem ser curto-circuitados momentaneamente para testar se o fusível eletrônico funciona corretamente.

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