Cómo hacer un circuito optimizador de panel solar

El circuito optimizador solar propuesto se puede utilizar para obtener la máxima salida posible en términos de corriente y voltaje de un panel solar, en respuesta a las diferentes condiciones de luz solar.

En esta publicación se explican un par de circuitos de cargador optimizadores de paneles solares simples pero efectivos. El primero se puede construir usando un par de 555 IC y algunos otros componentes lineales, la segunda opción es aún más simple y usa IC muy comunes como el LM338 y el amplificador operacional IC 741. Aprendamos los procedimientos.

Objetivo del circuito

Como todos sabemos, adquirir la mayor eficiencia de cualquier forma de fuente de alimentación se vuelve factible si el procedimiento no implica desviar el voltaje de la fuente de alimentación, lo que significa que queremos adquirir el nivel más bajo requerido particular de voltaje y la corriente máxima para la carga que es ser operado sin perturbar el nivel de voltaje de la fuente y sin generar calor.

Brevemente, un optimizador solar preocupado debe permitir su salida con la corriente máxima requerida, cualquier nivel más bajo de voltaje requerido pero asegurándose de que el nivel de voltaje en el panel no se vea afectado.

Un método que se analiza aquí implica la técnica PWM, que puede considerarse uno de los métodos óptimos hasta la fecha.

Deberíamos estar agradecidos con este pequeño genio llamado IC 555 que hace que todos los conceptos difíciles parezcan tan fáciles.

Usando IC 555 para la conversión PWM

En este concepto también incorporamos, y dependemos en gran medida de un par de IC 555 para la implementación requerida.

Al observar el diagrama de circuito dado, vemos que todo el diseño se divide básicamente en dos etapas.

La etapa superior del regulador de voltaje y la etapa inferior del generador PWM.

La etapa superior consta de un mosfet de canal p que se coloca como un interruptor y responde a la información de PWM aplicada en su puerta.

La etapa inferior es una etapa de generador PWM. Un par de 555 IC están configurados para las acciones propuestas.

Cómo funciona el circuito

IC1 es responsable de producir las ondas cuadradas requeridas que son procesadas por el generador de ondas triangulares de corriente constante que comprende T1 y los componentes asociados.

Esta onda triangular se aplica a IC2 para su procesamiento en los PWM requeridos.

Sin embargo, el espaciado de PWM de IC2 depende del nivel de voltaje en su pin # 5, que se deriva de una red resistiva a través del panel a través de la resistencia de 1K y el preajuste de 10K.

El voltaje entre esta red es directamente proporcional a los voltios variables del panel.

Durante los voltajes máximos, los PWM se vuelven más anchos y viceversa.

Los PWM anteriores se aplican a la puerta mosfet que conduce y proporciona el voltaje requerido a la batería conectada.

Como se discutió anteriormente, durante la luz solar máxima, el panel genera un nivel más alto de voltaje, un voltaje más alto significa que IC2 genera PWM más amplios, lo que a su vez mantiene el mosfe apagado durante períodos más largos o encendido por períodos relativamente más cortos, correspondiente a un valor de voltaje promedio que podría ser de aproximadamente 14,4 V en los terminales de la batería.

Cuando el brillo del sol se deteriora, los PWM se espacian proporcionalmente de manera estrecha, lo que permite que el mosfet conduzca más, de modo que la corriente y el voltaje promedio en la batería tienden a permanecer en los valores óptimos.

El ajuste preestablecido de 10K debe ajustarse para obtener alrededor de 14,4 V a través de los terminales de salida bajo un sol brillante.

Los resultados pueden controlarse bajo diferentes condiciones de luz solar.

El circuito optimizador del panel solar propuesto asegura una carga estable de la batería, sin afectar o desviar el voltaje del panel, lo que también resulta en una menor generación de calor.

Nota: El panel de elevación conectado debería poder generar un 50% más de voltaje que la batería conectada en el pico de sol. La corriente debe ser 1/5 de la clasificación AH de la batería.

Cómo configurar el circuito

1. Se puede realizar de la siguiente manera:
2. Mantenga inicialmente S1 apagado.
3. Exponga el panel a la luz solar máxima y ajuste el ajuste preestablecido para obtener el voltaje de carga óptimo requerido a través de la salida del diodo de drenaje del mosfet y la tierra.
4. El circuito está listo ahora.
5. Una vez hecho esto, encienda S1, la batería comenzará a cargarse en el mejor modo optimizado posible.

Agregar una función de control de corriente

Una investigación cuidadosa del circuito anterior muestra que a medida que el mosfet intenta compensar la caída del nivel de voltaje del panel, permite que la batería extraiga más corriente del panel, lo que afecta el voltaje del panel al bajarlo y provocar una situación de fuga, esto puede dificultar seriamente el proceso de optimización

Una función de control de corriente como se muestra en el siguiente diagrama se encarga de este problema y prohíbe que la batería extraiga corriente excesiva más allá de los límites especificados. Esto, a su vez, ayuda a que el voltaje del panel no se vea afectado.

RX, que es la resistencia limitadora de corriente, se puede calcular con la ayuda de la siguiente fórmula:

RX = 0.6 / I, donde I es la corriente de carga mínima especificada para la batería conectada

Se puede construir una versión burda pero más simple del diseño explicado anteriormente como lo sugirió el Sr.Dhyaksa usando la detección de umbral pin2 y pin6 del IC555, el diagrama completo se puede ver a continuación:

Sin optimización sin un convertidor Buck

El diseño explicado anteriormente funciona utilizando un concepto básico de PWM que ajusta automáticamente el PWM de un circuito basado en 555 en respuesta a la intensidad cambiante del sol.

Aunque la salida de este circuito produce una respuesta autoajustable para mantener un voltaje promedio constante en la salida, el voltaje pico nunca se ajusta, lo que lo hace considerablemente peligroso para cargar baterías de iones de litio o de tipo Lipo.

Además, el circuito anterior no está equipado para convertir el exceso de voltaje del panel en una cantidad proporcional de corriente para la carga nominal de voltaje más baja conectada.

Agregar un convertidor Buck

Traté de rectificar esta condición agregando una etapa de convertidor reductor al diseño anterior y pude producir una optimización que se veía muy similar a un circuito MPPT.

Sin embargo, incluso con este circuito mejorado, no podía estar completamente convencido de si el circuito era realmente capaz de producir un voltaje constante con un nivel máximo recortado y una corriente aumentada en respuesta a los diversos niveles de intensidad del sol.

Para estar completamente seguro con respecto al concepto y eliminar todas las confusiones, tuve que pasar por un estudio exhaustivo sobre los convertidores reductores y la relación involucrada entre los voltajes de entrada / salida, la corriente y las relaciones PWM (ciclo de trabajo), lo que inspiró para crear los siguientes artículos relacionados:

Cómo funcionan los convertidores de Buck

Cálculo de voltaje, corriente en un inductor reductor

Las fórmulas finales obtenidas de los dos artículos anteriores ayudaron a aclarar todas las dudas y, finalmente, pude estar perfectamente seguro con mi circuito optimizador solar propuesto anteriormente utilizando un circuito convertidor reductor.

Análisis de la condición del ciclo de trabajo de PWM para el diseño

La fórmula fundamental que dejó las cosas claramente claras se puede ver a continuación:

Vout = DVin

Aquí V (in) es el voltaje de entrada que proviene del panel, Vout es el voltaje de salida deseado del convertidor reductor y D es el ciclo de trabajo.

A partir de la ecuación, se hace evidente que el Vout se puede adaptar simplemente 'ya sea' controlando el ciclo de trabajo del convertidor reductor o el Vin ... o, en otras palabras, el Vin y los parámetros del ciclo de trabajo son directamente proporcionales e influyen entre sí. valores linealmente.

De hecho, los términos son extremadamente lineales, lo que hace que el dimensionamiento de un circuito optimizador solar sea mucho más fácil utilizando un circuito convertidor reductor.

Implica que cuando Vin es mucho más alto (@ pico de sol) que las especificaciones de carga, el procesador IC 555 puede hacer que los PWM sean proporcionalmente más estrechos (o más amplios para el dispositivo P) e influir en el Vout para que permanezca en el nivel deseado, y viceversa. cuando el sol disminuye, el procesador puede ampliar (o reducir para el dispositivo P) los PWM nuevamente para garantizar que el voltaje de salida se mantenga en el nivel constante especificado.

Evaluación de la implementación de PWM a través de un ejemplo práctico

Podemos probar lo anterior resolviendo la fórmula dada:

Supongamos que el voltaje pico del panel V (pulg) es de 24 V

y el PWM consistirá en un tiempo de encendido de 0,5 segundos y un tiempo de apagado de 0,5 segundos

Ciclo de trabajo = Transistor On time / Pulso ON + OFF time = T (on) / 0.5 + 0.5 seg

Ciclo de trabajo = T (encendido) / 1

Por lo tanto, sustituyendo lo anterior en la fórmula dada a continuación obtenemos,

V (salida) = V (entrada) x T (activado)

14 = 24 x T (encendido)

donde 14 es el voltaje de salida requerido asumido,

por lo tanto,

T (encendido) = 14/24 = 0,58 segundos

Esto nos da el tiempo de encendido del transistor que debe configurarse para el circuito durante la luz solar máxima para producir los 14v requeridos en la salida.

Cómo funciona

Una vez que se establece lo anterior, el resto podría dejarse para que el IC 555 lo procese durante los períodos T (encendido) autoajustables esperados en respuesta a la disminución de la luz solar.

Ahora, a medida que la luz del sol disminuye, el tiempo de ENCENDIDO anterior aumentaría (o disminuiría para el dispositivo P) proporcionalmente por el circuito de una manera lineal para garantizar una constante de 14 V, hasta que el voltaje del panel realmente caiga a 14 V, cuando el circuito podría simplemente cerrar los procedimientos.

También se puede suponer que el parámetro de corriente (amp) es autoajustable, es decir, siempre tratando de lograr la constante del producto (VxI) durante todo el proceso de optimización. Esto se debe a que siempre se supone que un convertidor reductor convierte la entrada de alto voltaje en un nivel de corriente proporcionalmente aumentado en la salida.

Aún así, si está interesado en ser completamente confirmado con respecto a los resultados, puede consultar el siguiente artículo para conocer las fórmulas relevantes:

Cálculo de voltaje, corriente en un inductor reductor

Ahora veamos cómo se ve el circuito final diseñado por mí, a partir de la siguiente información:

Como puede ver en el diagrama anterior, el diagrama básico es idéntico al del circuito del cargador solar de optimización automática anterior, excepto por la inclusión de IC4 que está configurado como seguidor de voltaje y se reemplaza en lugar de la etapa de seguidor del emisor BC547. Esto se hace con el fin de proporcionar una mejor respuesta para la distribución de pines de control del pin # 5 del IC2 desde el panel.

Resumen del funcionamiento básico del optimizador solar

El funcionamiento puede revisarse como se indica en: IC1 genera una frecuencia de onda cuadrada de aproximadamente 10 kHz que podría aumentarse a 20 kHz alterando el valor de C1.

Esta frecuencia se alimenta al pin2 de IC2 para fabricar ondas triangulares de conmutación rápida en el pin # 7 con la ayuda de T1 / C3.

El voltaje del panel se ajusta adecuadamente mediante P2 y se alimenta a la etapa de seguimiento de voltaje del IC4 para alimentar el pin # 5 del IC2.

Este potencial en el pin n. ° 5 de IC2 del panel se compara con las ondas triangulares rápidas del pin n. ° 7 para crear los datos PWM dimensionados correspondientemente en el pin n. ° 3 de IC2.

En el pico de brillo solar, P2 se ajusta adecuadamente de modo que IC2 genere los PWM más amplios posibles y, a medida que el brillo del sol comienza a disminuir, los PWM se vuelven proporcionalmente más estrechos.

El efecto anterior se alimenta a la base de un PNP BJT para invertir la respuesta a través de la etapa del convertidor reductor adjunto.

Implica que, en la luz del sol máxima, los PWM más amplios obligan al dispositivo PNP a conducir escasamente {período de tiempo T (encendido) reducido}, lo que hace que formas de onda más estrechas alcancen el inductor reductor ... pero como el voltaje del panel es alto, el nivel de voltaje de entrada {V (in)} que alcanza el inductor reductor es igual al nivel de voltaje del panel.

Por lo tanto, en esta situación, el convertidor reductor con la ayuda de T (encendido) y V (in) calculados correctamente es capaz de producir el voltaje de salida requerido correcto para la carga, que podría ser mucho más bajo que el voltaje del panel, pero a un nivel de corriente (amperios) aumentado proporcionalmente.

Ahora, a medida que cae el sol, los PWM también se vuelven más estrechos, lo que permite que el PNP T (encendido) aumente proporcionalmente, lo que a su vez ayuda al inductor buck a compensar la disminución de la luz solar al aumentar el voltaje de salida proporcionalmente ... la corriente (amp ) ahora se reduce proporcionalmente en el curso de la acción, asegurándose de que el convertidor reductor mantenga perfectamente la consistencia de salida.

T2 junto con los componentes asociados forman la etapa de limitación de corriente o la etapa de amplificador de error. Se asegura de que nunca se permita que la carga de salida consuma nada por encima de las especificaciones nominales del diseño, de modo que el sistema nunca se agite y nunca se permita que el rendimiento del panel solar se desvíe de su zona de alta eficiencia.

C5 se muestra como un condensador de 100 uF, sin embargo, para un resultado mejorado, esto podría incrementarse a un valor de 2200 uF, porque valores más altos asegurarán un mejor control de la corriente de ondulación y un voltaje más suave para la carga.

P1 es para ajustar / corregir el voltaje de compensación de la salida del opamp, de modo que el pin n. ° 5 pueda recibir un cero voltios perfecto en ausencia de voltaje del panel solar o cuando el voltaje del panel solar está por debajo de las especificaciones de voltaje de carga.

La especificación L1 se puede determinar aproximadamente con la ayuda de la información proporcionada en el siguiente artículo:

Cómo calcular inductores en circuitos SMPS

Optimizador solar usando amplificadores operacionales

Se puede hacer otro circuito optimizador solar muy simple pero efectivo empleando un IC LM338 y algunos amplificadores operacionales.

Entendamos el circuito propuesto (optimizador solar) con la ayuda de los siguientes puntos: La figura muestra un circuito regulador de voltaje LM338 que tiene una función de control de corriente también en la forma del transistor BC547 conectado a través de ajuste y pin de tierra del IC.

Opamps utilizados como comparadores

Los dos amplificadores operacionales están configurados como comparadores. De hecho, se pueden incorporar muchas de estas etapas para mejorar los efectos.

En el diseño actual, el pin n. ° 3 de A1 se ajusta de manera que la salida de A1 aumenta cuando la intensidad del brillo del sol sobre el panel es aproximadamente un 20% menor que el valor máximo.

De manera similar, la etapa A2 se ajusta de manera que su salida sea alta cuando la luz solar sea aproximadamente un 50% menor que el valor pico.

Cuando la salida de A1 sube, RL # 1 activa la conexión de R2 en línea con el circuito, desconectando R1.

Inicialmente en el pico de sol, R1, cuyo valor se selecciona mucho más bajo, permite que la corriente máxima llegue a la batería.

Diagrama de circuito

Cuando cae la luz del sol, el voltaje del panel también cae y ahora no podemos permitirnos el lujo de extraer mucha corriente del panel porque eso reduciría el voltaje por debajo de 12V, lo que podría detener por completo el proceso de carga.

Cambio de relé para optimización actual

Por lo tanto, como se explicó anteriormente, A1 entra en acción y desconecta R1 y conecta R2. R2 se selecciona en un valor más alto y permite solo una cantidad limitada de corriente a la batería, de modo que el voltaje solar no cae por debajo de los 15 vots, un nivel que se requiere imperativamente en la entrada del LM338.

Cuando la luz del sol cae por debajo del segundo umbral establecido, A2 activa RL # 2, que a su vez cambia R3 para hacer que la corriente a la batería sea aún más baja, asegurándose de que el voltaje en la entrada del LM338 nunca caiga por debajo de 15 V, pero la tasa de carga a la batería se mantiene siempre en los niveles óptimos más cercanos.

Si las etapas de opamp aumentan con más relés y acciones de control de corriente posteriores, la unidad se puede optimizar con una eficiencia aún mayor.

El procedimiento anterior carga la batería rápidamente a alta corriente durante los picos de luz solar y disminuye la corriente a medida que cae la intensidad del sol sobre el panel y, en consecuencia, suministra a la batería la corriente nominal correcta de modo que se cargue completamente al final del día.

¿Qué sucede con una batería que no se puede descargar?

Suponga que en caso de que la batería no se descargue de manera óptima para pasar por el proceso anterior a la mañana siguiente, la situación puede ser fatal para la batería, porque la alta corriente inicial podría tener efectos negativos sobre la batería porque aún no se ha descargado al valor especificado. calificaciones.

Para comprobar el problema anterior, se introducen un par de amplificadores operacionales más, A3, A4, que controlan el nivel de voltaje de la batería e inician las mismas acciones que hizo A1, A2, para que la corriente a la batería se optimice con respecto a el voltaje o el nivel de carga presente con la batería durante ese período de tiempo.