鉅大LARGE | 點擊量:1528次 | 2020年05月12日
太陽能電池板電池充電器DIY制作
我們渴望舒服一點的條件是,一個基于水霧系統而讓人涼快的解決方法,以克服困擾這片沙漠的干熱空氣。這可以用一臺由電壓源供電、連著一個帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實現。噴霧系統的成功要素是電源,這個電源也可以用來給LED燈供電,以供夜間照明,或者給其它要電源的外部設備充電。我們的計劃是,用太陽能電池板給一個海上用的深周期電池充電,然后用這塊電池給其它所有東西供電。隨即,我開始了太陽能電池板電池充電器的設計。
我有3周時間完成設計。我向朋友Simon請求幫助,Simon以前用凌力爾特公司的IC搞過太陽能供電設計。除了一臺顯示工作原理的樣機,Simon還給了我一份原理圖,這臺樣機從未連上太陽能電池板測試過,但在實驗室做過仿真。我很興奮,有興趣用真實的太陽能電池板測試這個設計,我們準備對樣機進行像樣的測試。
一位朋友借給我兩塊Bp太陽能電池板(Bp380U)。在大約20V最高輸出電壓和4A最大輸出電流時,每塊電池板的峰值功率都是80W(實際規格為,在80W最大功率時,電壓為17.6V,電流為4.55A)。把這兩塊太陽能電池板合起來,我希望在太陽光直接直射在電池板上時,在峰值條件下能有8A的總電流。太陽能電池板連接到Simon的樣機上沒有幾分鐘,系統就充分運轉了(圖1和圖2)。通過對樣機的初步測試,查明了幾個故障,后來這給我們節省了大量時間。
圖1:測試Bp太陽能電池板,Bp380U(0至20V輸出,4A峰值功率80W)
圖2:最初的太陽能充電電路樣機,采用12V海上用深周期電池。
樣機運行良好,因此我購買了幾塊凌力爾特公司的演示板,并稍作修改以使其更適合重新設計過的系統規格要求。我保持樣機作為備份和參考,同時我設計了一個新系統。我們解決了一些故障后,通過這些修改改善了原來的樣機。總之,架構設計仍然是相同的:用0至20V的太陽能電池板,以4A的恒定電流給一個12V的電池充電。
太陽能電池充電器系統設計
用這些演示板忙活幾天之后,我成功地完成了一個出現預期效果的設計,這設計將適合我們這次旅程。系統的方框圖如圖3所示,該圖顯示了一些IC和演示板功能。系統的照片如圖4所示,顯示了完整的太陽能電池板電池充電器單元。
圖3:系統設計方框圖
圖4:最終的太陽能充電器電路
視太陽的位置不同而不同,太陽能電池板最初的輸出電壓在0V到20V之間變化,那么就用一個能接受這么寬輸出范圍的穩壓器,并保持吸取低的電流(每個電池板上的輸入電流最大值都是4A),同時調節一個固定的輸出電壓。這是在DC1198A-B演示板上用凌力爾特公司的微型模塊(μModule)DC/DC降壓-升壓型開關穩壓器LTM4607實現的。
LTM4607是一個小型LGA封裝(15mmx15mmx2.8mm)的芯片,其中包括一個復雜的降壓-升壓型DC/DC開關穩壓器所需的所有支持控制組件。復雜的開關控制電路和FET內置到微型模塊穩壓器中,從而使該器件非常容易使用。結果是僅需一個微型模塊穩壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規則的布局。4.5V至36V的寬輸入電壓范圍至固定20V輸出(范圍為0.8V至24V)關于太陽能電池板的特性(0至20V輸出)正合適,而且該器件能加載高達5A的升壓模式和10A的降壓模式。在太陽能電池板峰值功率時,20V輸入至20V/2.5A輸出的效率是91%,而且積極利用了降壓-升壓型寬范圍輸入的好處。就這個系統設計的目的而言,輸出調節到20V,用這個輸出給LTC1435/LT1620高效率、低壓差電池充電器系統供電。
在14V穩定電壓時,LTC1435/LT1620演示板(DC133A)將充電電流控制到穩定的4A.該演示板與LT1620數據表第一頁上的應用電路類似,我將FB電阻器(110k)換成一個可變電位器,以實現輸出電壓調節,并將電池浮置電壓設置到14V.該演示板設計利用LT1620軌至軌電流檢測放大器,結合LTC1435開關穩壓器電路的高效率和低壓差能力,形成了一個效率超過95%的電池充電器,從而在4A充電電流時僅要0.5V輸入至輸出電壓差。一個到地的編程電流設置電池充電電流(4A),該電池充電電流一直是穩定的,直到電池電壓達到預設的浮置電壓(在本文情況下為14V)為止。隨著電池達到其滿充電狀態,電路的編程將自動轉入涓流充電狀態,并就電池的輸出電壓而言緩慢降低充電電流。這減輕了由于恒定過沖電給電池造成的壓力。
一個理想二極管電路設計與DC133A充電系統的輸出串聯,利用LTC4414實現電路保護,并允許在充電電路以最小損耗運行的同時使用電池。這種自動電源通路(powerpath?)控制使外部設備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當太陽能電池板功率不足時,電路自動轉為從電池吸取功率。該電路設計與LTC4414數據表第九頁上的圖2類似。LTC4414(8引線MSOp封裝)控制一個外部p溝道MOSFET,以出現接近理想的二極管功能,用于電源切換。這允許多個電源高效率進行“或”操作;在本文情況下,電源是太陽能電池板和電池。當連接一個外部設備時,電池和充電系統接受負載狀態。在無負載時,將對電池充電。因此該設計允許一起使用太陽能電池板和電池供電,同時運行電池充電過程。這一部分沒有演示板可用,因此我按照定制電路板上的應用電路進行設計。
電流檢測系統與電池串聯,利用并聯檢測電阻器測量電池的輸入充電電流和輸出放電電流,而無需斷開電路。圖3的方框圖僅說明了輸入充電電流。LTC6103(采用8引線MSOp封裝,在4V至60V范圍內工作)是一個雙路獨立電流檢測放大器,可通過外部檢測電阻器監視電流。該器件以mV為單位測量和供應電池充電和放電電流的電流比率輸出。在本文情況下,它幫助指示電池充和放了多少電量。這是一種以低功率損耗讀取電流的方法,這對保持一個高能效系統至關重要。我略微調節了LTC6103(DC1116A)演示板以實現這一點。引腳8和7分別與進入電池的電流通路+IN_A和-IN_A串聯。這將供應進入電池的充電電流。引腳6和5相互掉換后反著連接,以測量電池放電電流通路,+IN_B(引腳5)連接到-IN_A(引腳7),-IN_B(引腳6)連接到+IN_A(引腳8)。電阻器的值以10為倍數改變和調節,以便在0.1Ω并聯檢測電阻器與電路串聯時,輸出以100mV/A變化。圖5中的萬用表顯示整個系統的結果。太陽能電池板輸出電壓是17.11V,電池電壓為12.95V,充電電流是3.58A.
圖5:萬用表顯示17.11V太陽能電池板輸出,12.95V電池充電電壓;3.58A電池充電電流
ADC和微控制器讀數
我決定,每次檢查電路是否正常運行時不使用電壓表,因為電壓表在沙漠中難以攜帶。為了防止攜帶多個萬用表,我用一個微控制器和ADC來讀取系統的電壓值,并在一般的LCD顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能供應實時數據,而無需連接幾個萬用表。
我使用DC590B演示板和LTC24188信道/16信道24位ADC演示板DC571A.我的同事MarkThoren給了我pIC微控制器的嵌入式源代碼樣本,我微調了這個源代碼樣本,以跨LTC2418上ADC的不同通道對電壓采樣,并以可接受的分辨率、準確地讀出mV范圍的電壓值。既然基準電壓的最大范圍是2.5V,那么我用一種電壓分壓器方法來按比例將電壓降低到mV范圍,以在ADC上實現正確的測量。通道連接到單個有關的輸入和輸出電壓上,包括電流檢測電壓。這么做非常成功,無需多個萬用表。圖6是一個有關這個LCD顯示屏的全功能系統的例子。我在LCD上得到的最后的顯示供應了有關以下電壓的信息:變化的太陽能電源電壓Vs、充電電路電壓Vc、電池電壓Vb、以及電池上的輸入充電/放電電流C和D.在本文情況下,是“C”,它在充電。放電時,程序將改變到“D”。
圖6:LCD讀數:Vs(太陽能電池板電壓);Vc(充電電路電壓);Vb(電池電壓);C=充電電流(4.3A),用DC590BpIC微控制器控制;用LTC2418演示板DC571ADC讀取電壓,該演示板由LTM4601演示板DC1041A微型模塊降壓型穩壓器供電。
注意,DC590B演示板不是靠12V軌供電,而是靠5V軌供電。要一個降壓型穩壓器將電壓從電池的12V降低到5V.這個降壓型穩壓器將必須是高效率的,因為電源將來自太陽能電池板和電池,我不想因運行LCD顯示屏和微控制器而耗費大量功率。我使用LTM4601微型模塊DC/DC開關穩壓器演示板DC1041A.
LTM4601是一個LGA封裝的15mmx15mmx2.8mm微型模塊DC/DC開關穩壓器,在12A最大負載電流時,輸入為4.5V至20V,輸出為0.6V至5V.LTM4601的設計使得非常容易從12V電池供應一個穩定的5V輸出。該微型模塊包括所有控制支持組件,如電阻器、電容器、MOSFET和電感器。在這個系統中,效率大約為90%,使用最小的電池電流,極大地延長了電池壽命。更容易的是,輸出電壓用一個電阻器設置,假如我要一個不同的電壓軌(例如3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V),那么在演示板上用一條跨接線可以非常容易地改變這個輸出電壓。
總之,兩塊Bp太陽能電池板,每塊在4A電流時都有0至20V的輸出,這兩塊太陽能電池板由20V輸出的LTM4607降壓/升壓型微型模塊開關穩壓器調節,然后再到14V輸入的LTC1435/LT1620電池充電器,通過一個理想二極管MOSFET控制器LTC4414、一個串聯的電流檢測放大器LTC6103,最終進入電池;以穩定的4A電流充電。在這個設計中,由LTC2418在不同的級獲取ADC讀數,并將讀數送至由LTM4601微型模塊開關穩壓器供電的DC590B演示板微控制器,以在LCD上顯示結果。圖7顯示正在運行的整個系統。
圖7:運行中的整個系統設計
噴霧系統的機械設計
有了一個正常工作的太陽能充電器和穩定的12V輸出,我就準備好著手組裝噴霧系統了。去一趟五金店就得到了我要的材料:艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉接器和噴霧系統。水龍帶長約15英尺,擰在轉接器螺釘上,用水龍帶夾具固定到水泵上,噴霧系統固定在末端,有5個噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為12V的電壓運行,水壓可以通過降低電壓來控制。
為了實現靈活性,我安裝了一個穩壓器,該穩壓器可以接受12V輸入,并將輸入轉換成可變的12V輸出。這要求LTM4607設計有降壓/升壓特性。該器件使用一個反饋電阻器控制輸出電壓。一個50k的可變旋鈕電位器取代了電阻器,從而非常容易控制0.8V至12V的輸出。還串聯了一個5.62k的電阻器,以限制輸出電壓,保持輸出低于15V.該設計通過旋轉一個旋鈕實現了水壓控制。
然后,我就可以測試我的全功能噴霧系統了。結果,水泵導致最大約6A的電池放電電流,這意味著,在峰值輸出時,水泵約從每塊太陽能電池板獲得4A電流。控制水泵速度和壓力的好處是,我可以將壓力降到足夠低,以降低電池的放電電流,并全部靠太陽能電池板運行水泵,以節省電池電量,這樣做非常有效。通過這種方法,我們能夠在營地全天運行噴霧系統,而不必擔心電池放電,耽誤夜間用于LED照明系統。
LED照明
隨著電源的完成,我就可以新增電路,在晚上高效率地供應照明了。LED足夠亮,可以照亮房間,這在以前是不可想象的,但是新的技術進步已經為LED照明的新時代創造了條件。尤其是,philipsLumiledsLuxeonLED在1000mA時可以供應超過100流明的光。我配備了一個LumiLED陣列,使用LTC3475(16引線TSSOp耐熱增強型封裝)雙路1.5A恒定電流LED驅動器DC923A演示板。它設計成用一個寬范圍輸入電壓(4V至30V)驅動兩個信道,每個信道1.5A.12V電池直接連接到演示板的輸入,為每個通道3個串聯的LED燈供電,當兩個通道都接通時,總共有6個LED.這些LED出奇地亮,用一塊柔光布遮上時,足夠照亮我們整個營地。晚上的放電電流全部來自電池,因為太陽能電池板夜間供應零電力。以2A的總放電電流,可以整晚為這些燈供電。到接近中午或偏下午時,電池再次充滿電,為給噴霧系統供電做好了準備,在早午餐后,噴霧系統就可以讓我們感到涼爽了。