Bộ sạc pin năng lượng mặt trời 12V SLA: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Một thời gian trước, tôi đã sở hữu một "Lemon" của một ATV bên cạnh. Đủ để nói rằng có RẤT NHIỀU sai lầm với nó. Tại một thời điểm nào đó, tôi quyết định rằng "HÃY LÀ, tôi nên chế tạo bộ sạc pin năng lượng mặt trời công suất lớn của riêng mình chỉ để giữ cho bộ pin rẻ như đinh đóng cột được sạc trong khi đèn pha đang chạy!" Cuối cùng điều đó đã phát triển thành ý tưởng rằng "ANH ƠI, tôi nên sử dụng cục pin đó để cung cấp năng lượng cho một số dự án từ xa mà tôi đã lên kế hoạch!"

Như vậy, bộ sạc pin năng lượng mặt trời “Lead Buddy” đã ra đời.

Ban đầu, tôi xem xét việc lấy ra thiết kế của mình từ "Sunny Buddy" của Sparkfun (do đó tôi có tên), nhưng tình cờ, tôi tình cờ nhận thấy rằng một thành phần tôi đã sử dụng trong một dự án khác, thực sự có ghi chú ứng dụng đang được sử dụng. như một bộ sạc pin năng lượng mặt trời (mà tôi đã bỏ lỡ khi lướt qua biểu dữ liệu trước đó) - LTC4365 của Thiết bị Tương tự! Nó không có MPPT, nhưng này, cũng không có "Sunny Buddy" của Sparkfun (dù sao thì ít nhất cũng không phải là MPPT thực sự…). Vì vậy, chính xác làm thế nào để chúng tôi khắc phục điều này? Chà, bạn đọc thân mến, bạn xem qua phần ghi chú ứng dụng nhé !!! Cụ thể là AN1521 của Microchip "Hướng dẫn thực hành triển khai các thuật toán MPPT của bảng điều khiển năng lượng mặt trời". Nó thực sự là một bài đọc khá thú vị và cung cấp cho bạn nhiều phương pháp thực hiện điều khiển MPPT khác nhau. Bạn chỉ cần hai cảm biến, một cảm biến điện áp (bộ chia điện áp) và một cảm biến dòng điện, và bạn cần chính xác một đầu ra. Tôi tình cờ biết về một cảm biến dòng điện đặc biệt có thể được sử dụng với MOSFET kênh N, được gọi là IR25750 từ International Rectifier. AN-1199 của họ trên IR25750 cũng là một chi tiết thú vị. Cuối cùng, chúng ta cần một bộ vi điều khiển để liên kết toàn bộ với nhau và vì chúng ta chỉ cần 3 chân, hãy nhập ATtiny10!

Bước 1: Chọn các bộ phận, vẽ sơ đồ

Bây giờ chúng ta đã có 3 bộ phận chính, chúng ta phải bắt đầu chọn các thành phần khác cần đi kèm với vi mạch của chúng ta. Thành phần quan trọng tiếp theo của chúng tôi là MOSFET, đặc biệt, cho bản sửa đổi này (xem bước cuối cùng để biết thêm thông tin về điều đó), tôi đã chọn sử dụng HAI MOSFET kênh N Kép SQJB60EP. Một MOSFET được điều khiển độc quyền bởi LTC4365 và MOSFET còn lại được thiết lập để một FET hoạt động như một "diode phía thấp lý tưởng" nhằm mục đích bảo vệ đầu vào ngược (Nếu bạn tìm kiếm nó trong google, bạn có thể sẽ không tìm thấy ghi chú ứng dụng từ TI và Maxim về chủ đề này, tôi đã phải tìm kiếm nó.), trong khi FET khác được điều khiển bởi bộ đếm thời gian PWM 16 bit của ATtiny10 (hoặc bất kỳ độ phân giải nào bạn chọn…). Tiếp theo hãy đến các passives của chúng tôi, những thứ này thực sự không quan trọng để liệt kê. Chúng bao gồm các điện trở để phân chia điện áp / lập trình bộ sạc và các tụ điện bỏ qua / lưu trữ khác nhau, chỉ cần đảm bảo rằng các điện trở của bạn có thể xử lý điện năng tiêu tán qua chúng và các tụ điện của bạn có dung sai nhiệt độ hợp lý (X5R trở lên). Điều quan trọng cần lưu ý là do cách thiết kế này, nên pin PHẢI được gắn vào bo mạch để nó hoạt động.

Tôi đã thiết lập LTC4365 để có thể sạc pin 12 hoặc 24V bằng cách chuyển đổi một jumper (để cung cấp chân OV trên bộ sạc 0,5V khi pin được sạc đến khoảng 2,387V / cell đối với pin 12V). Bộ chia điện áp của bộ sạc cũng được bù nhiệt độ thông qua một điện trở PTC 5k kết nối với bo mạch thông qua tiêu đề 2,54mm và sẽ kết nối với mặt bên của pin bằng hợp chất bầu dẫn nhiệt hoặc thậm chí là băng keo. Chúng tôi cũng phải sử dụng một vài bộ zen trong suốt thiết kế, cụ thể là để điều khiển MOSFET điện áp ngược (cũng như cấp nguồn cho FET khác trong trường hợp bạn không lắp đặt các thành phần MPPT thông qua một jumper pad) và để bảo vệ LTC4365's chân khỏi quá áp. Chúng tôi sẽ cấp nguồn cho ATtiny10 với bộ điều chỉnh ô tô 5V được đánh giá cho đầu vào 40V.

Cầu chì…

Một điều quan trọng cần lưu ý, là bạn LUÔN phải có cầu chì trên đầu vào và đầu ra của mình khi nói đến bộ sạc pin, và bạn LUÔN LUÔN phải sử dụng bảo vệ OV trên các đầu vào dòng điện cao (IE-pin). Đầu vào dòng điện thấp không thể dễ dàng triển khai OVP (IE- mạch xà beng), vì chúng thường không thể tạo ra đủ dòng điện để ngắt cầu dao / cầu chì. Điều này có thể dẫn đến một tình huống nghiêm trọng trong đó TRIAC / SCR của bạn sẽ bắt đầu quá nóng, có khả năng hỏng hóc, khiến các thành phần của bạn bị hỏng hoặc khiến dự án của bạn bùng nổ trong biển lửa. Bạn phải có khả năng cung cấp đủ dòng điện để thực sự thổi cầu chì kịp thời (điều mà pin 12V của chúng tôi CÓ THỂ làm được). Đối với cầu chì, tôi quyết định chọn 0453003. MR của Littlefuse. Đó là một cầu chì tuyệt vời trong một gói SMD rất nhỏ. Nếu bạn quyết định sử dụng cầu chì lớn hơn, chẳng hạn như cầu chì 5x20mm, XIN VUI LÒNG VÌ TÌNH YÊU CỦA MỌI NGƯỜI CAO HƠN LÀ BẠN CẦU NGUYỆN….. Đừng sử dụng cầu chì thủy tinh. Cầu chì thủy tinh có thể vỡ ra khi chúng thổi, đưa các mảnh kim loại nóng chảy và thủy tinh sắc nhọn ra khắp bo mạch của bạn, gây ra tất cả các loại hư hỏng trong quá trình này. LUÔN LUÔN sử dụng cầu chì gốm, hầu hết chúng được đổ đầy cát để khi chúng thổi, chúng không làm cháy bo mạch của bạn, hoặc ngôi nhà của bạn (chưa kể rằng bản thân gốm cũng nên hỗ trợ bảo vệ, tương tự như áo giáp gốm được sử dụng để bảo vệ các phương tiện chiến đấu hiện đại khỏi các đầu đạn tích điện định hình / THỰC SỰ NÓNG BỎNG CỦA PLASMA). Có thể "Nhìn thấy" sợi dây nhỏ đó trong cầu chì của bạn (dù thế nào đi nữa, bạn có thể không nhìn thấy, đặc biệt là nếu bạn gần như bị mù) không đáng có một đống than cháy âm ỉ nơi ngôi nhà của bạn từng ở. Nếu bạn cần kiểm tra cầu chì, hãy sử dụng đồng hồ vạn năng để kiểm tra điện trở của nó.

Bảo vệ ESD

Đã qua lâu rồi những ngày mà chúng ta hoàn toàn dựa vào các biến thể đắt tiền từ $ 5-10 để bảo vệ các dự án điện tử của mình. Bạn LUÔN nên ném vào một số TVS, hoặc Siêu áp thoáng qua, điốt. Thực sự không có lý do gì để không làm như vậy. Bất kỳ đầu vào nào, đặc biệt là đầu vào bảng điều khiển năng lượng mặt trời, cần được bảo vệ khỏi ESD. Trong trường hợp xảy ra sét đánh gần các tấm pin mặt trời / bất kỳ đoạn dây nào của bạn, điốt TVS nhỏ đó, kết hợp với cầu chì, có thể ngăn dự án của bạn bị hư hỏng do bất kỳ loại ESD / EMP nào (đó là sét đình công là, sorta….). Chúng gần như không bền bằng MOV, nhưng chúng chắc chắn có thể hoàn thành công việc trong hầu hết thời gian.

Điều này đưa chúng ta đến mục tiếp theo của chúng ta, Khoảng trống Spark. "Khoảng trống tia lửa là gì?!?" Chà, các khoảng trống tia lửa về cơ bản chỉ là một dấu vết mở rộng ra mặt phẳng đất từ một trong các chốt đầu vào của bạn, đã lấy bình hàn ra khỏi nó và mặt đất cục bộ và tiếp xúc với không khí ngoài trời. Nói một cách đơn giản, nó cho phép ESD cung cấp vòng cung thẳng vào mặt đất của bạn (con đường có ít điện trở nhất) và hy vọng sẽ giải phóng mạch của bạn. Chúng hoàn toàn không tốn thêm chi phí, vì vậy bạn nên luôn thêm chúng ở những nơi bạn có thể. Bạn có thể tính toán khoảng cách bạn cần giữa dấu vết của bạn và mặt đất để bảo vệ cho một số điện áp thông qua Định luật Paschen. Tôi sẽ không thảo luận về cách tính toán đó, nhưng đủ để nói rằng một kiến thức tổng quát về giải tích được khuyên dùng. Nếu không, bạn sẽ ổn với khoảng cách 6-10 phút giữa dấu vết và mặt đất. Sử dụng một dấu vết tròn cũng được khuyến khích. Xem hình ảnh tôi đã đăng để biết ý tưởng về cách thực hiện nó.

Máy bay mặt đất

Không có lý do gì để không sử dụng một lượng lớn mặt bằng đổ vào hầu hết các dự án điện tử. Hơn nữa, sẽ cực kỳ lãng phí nếu không sử dụng bộ đổ đất vì tất cả số đồng đó sẽ phải bị ăn mòn. Bạn đã trả tiền cho đồng, bạn cũng có thể không để nó làm ô nhiễm đường thủy của Trung Quốc (hoặc bất cứ nơi nào) và sử dụng nó như một máy bay mặt đất của bạn. Các bộ rót có lỗ có rất ít ứng dụng trong các thiết bị điện tử hiện đại và hiếm khi được sử dụng nữa, nếu được sử dụng nữa để đạt được hiệu quả đó vì các bộ đổ đất rắn được cho là có chất lượng tốt hơn đối với tín hiệu tần số cao, chưa kể chúng tốt hơn trong việc che chắn các dấu vết nhạy cảm VÀ có thể cung cấp một số bỏ qua điện dung với một mặt phẳng "sống" nếu bạn sử dụng một bảng nhiều lớp. Cũng cần lưu ý rằng nếu bạn sử dụng lò nung nóng lại hoặc trạm gia công lại không khí nóng, thì không nên kết nối mặt đất rắn với các thành phần thụ động, vì chúng có thể "bia mộ" khi được nung nóng lại, vì mặt phẳng mặt đất có khối lượng nhiệt nhiều hơn phải được làm nóng lên để vật hàn nóng chảy. Bạn chắc chắn có thể làm điều đó nếu bạn cẩn thận, nhưng bạn nên sử dụng miếng đệm giảm nhiệt, hoặc cái mà EasyEDA gọi là "Spokes" để kết nối miếng tiếp đất của linh kiện thụ động của bạn với. Bo mạch của tôi sử dụng miếng giảm nhiệt, mặc dù vì tôi hàn bằng tay nên nó thực sự không thành vấn đề.

Về tản nhiệt…

Bộ sạc năng lượng mặt trời của chúng tôi không được tản nhiệt quá nhiều, ngay cả khi dòng điện được thiết kế tối đa là 3A (phụ thuộc vào cầu chì). Tệ nhất, SQJB60EP của chúng tôi trên điện trở là 0,016mOhm ở 4,5V ở 8A (SQJ974EP trong bản sửa đổi thứ hai của tôi, ở mức 0,0325mOhm, xem ghi chú của tôi ở cuối để biết thêm thông tin). Sử dụng Định luật Ohms, P = I ^ 2 * R, công suất tiêu thụ của chúng tôi là 0,144W ở 3A (Bây giờ bạn thấy tại sao tôi đã sử dụng MOSFET kênh N cho MPPT và mạch "diode" điện áp ngược của chúng tôi). Bộ điều chỉnh 5V ô tô của chúng tôi cũng không nên tiêu hao quá nhiều, vì chúng tôi chỉ vẽ tối đa vài chục miliampe. Với pin 12V, hoặc thậm chí là 24V, chúng ta sẽ không thấy mất đủ năng lượng trên bộ điều chỉnh để thực sự phải lo lắng về việc tản nhiệt cho nó, tuy nhiên, theo ghi chú ứng dụng tuyệt vời của TI về vấn đề này, hầu hết năng lượng của bạn sẽ bị tiêu tán do nhiệt. dẫn trở lại chính PCB, vì nó là con đường có ít điện trở nhất. Ví dụ, SQJB60EP của chúng tôi có điện trở nhiệt 3,1C / W đối với tấm thoát nước, trong khi gói nhựa có điện trở nhiệt 85C / W. Tản nhiệt hiệu quả hơn nhiều khi được thực hiện thông qua chính PCB, IE- tạo ra những mặt phẳng lớn đẹp mắt cho các thành phần của bạn giúp tản nhiệt nhiều (do đó biến PCB của bạn thành bộ tản nhiệt đầu) hoặc định tuyến vias sang phía đối diện của bảng từ một mặt phẳng nhỏ hơn ở phía trên để cho phép thiết kế nhỏ gọn hơn. (Định tuyến vias nhiệt đến một mặt phẳng ở phía đối diện của bo mạch cũng giúp bạn có thể dễ dàng gắn bộ tản nhiệt / sên vào mặt sau của bo mạch, hoặc tản nhiệt qua mặt phẳng tiếp đất của bo mạch khác khi được gắn vào.) Một cách nhanh chóng và dễ hiểu để bạn có thể tính toán lượng điện năng bạn có thể tiêu tán một cách an toàn từ một thành phần là (Tj - Tamb) / Rθja = Công suất. Để biết thêm thông tin, tôi đặc biệt khuyến khích bạn đọc ghi chú ứng dụng của TI.

Và cuối cùng…

Nếu bạn muốn đặt dự án của mình bên trong một thùng chứa, chẳng hạn như tôi định làm vì nó rõ ràng sẽ được sử dụng bên ngoài, bạn nên luôn chọn thùng chứa / hộp của mình trước khi đặt bảng. Trong trường hợp của tôi, tôi đã chọn EX-51 của Polycase và đã thiết kế bảng của mình như vậy. Tôi cũng đã thiết kế một bảng "mặt trước", kết nối với các "lỗ" đúc của đầu vào năng lượng mặt trời, hay chính xác hơn, là các khe (phù hợp với bảng có độ dày 1,6mm). Hàn chúng lại với nhau, và bạn rất tốt để đi. Bảng điều khiển này có các đầu nối chống thấm nước từ Switchcraft. Tôi vẫn chưa quyết định xem mình sẽ sử dụng "bảng điều khiển phía trước" hay "bảng điều khiển phía sau", nhưng bất kể, tôi cũng sẽ cần một "tuyến cáp chống thấm nước" cho đầu vào hoặc đầu ra, cũng như cho nhiệt điện trở pin của chúng tôi. Ngoài ra, bộ sạc của tôi cũng có thể được lắp trên bảng dưới dạng mô-đun (do đó có các lỗ đúc).

Bước 2: Nhận các bộ phận của bạn

Đặt hàng các bộ phận của bạn có thể là một nhiệm vụ khó khăn, do có bao nhiêu nhà cung cấp và xem xét thực tế là các bộ phận nhỏ sẽ bị mất theo thời gian (ví dụ như điện trở, tụ điện). Trên thực tế, tôi bị mất điện trở cho mạch sạc pin 24V. Rất may, tôi sẽ không sử dụng mạch sạc 24V.

Tôi đã chọn đặt mua PCB của mình từ JLCPCB, vì nó rẻ. Họ dường như cũng đã chuyển sang một quy trình "có thể chụp ảnh", để lại những tấm lụa mỏng đẹp (và những tấm mực bán) kể từ lần cuối tôi đặt hàng từ họ. Thật không may, họ không còn cung cấp dịch vụ vận chuyển miễn phí nữa, vì vậy bạn sẽ phải đợi một hoặc hai tuần để nhận được hoặc bạn phải trả 20 đô la + để được vận chuyển qua DHL…. Đối với các thành phần của tôi, tôi đã sử dụng Arrow, vì chúng được miễn phí vận chuyển. Tôi chỉ phải mua điện trở nhiệt của Digikey, vì Arrow không có.

Thông thường, các đường truyền có kích thước 0603 là A-OK để hàn. Các thành phần có kích thước 0402 có thể khó và dễ bị thất lạc, vì vậy hãy đặt hàng ít nhất gấp đôi những gì bạn cần. Luôn kiểm tra để đảm bảo rằng họ đã gửi cho bạn tất cả các thành phần của bạn. Điều này đặc biệt quan trọng nếu họ không hợp nhất đơn hàng của bạn và thay vào đó gửi cho bạn 20 hộp khác nhau thông qua FedEx.

Bước 3: Chuẩn bị sẵn sàng…

Chuẩn bị hàn…. Bạn thực sự không cần nhiều công cụ để hàn. Một mỏ hàn rẻ, được cung cấp năng lượng vừa phải, chất trợ dung, thuốc hàn, nhíp và ống cắt, là tất cả những gì bạn cần. Bạn cũng NÊN chuẩn bị sẵn bình chữa cháy và LUÔN LUÔN phải chuẩn bị sẵn mặt nạ để lọc các chất gây ô nhiễm trong không khí do dòng chảy ra, là chất gây ung thư / độc hại.

Bước 4: Kết hợp nó lại với nhau

Lắp ráp PCB của bạn thực sự đơn giản. Nó khá nhiều chỉ là "thiếc một miếng đệm, hàn một chốt vào tab đó, sau đó 'kéo hàn' phần còn lại của các chân". Bạn không cần kính hiển vi hoặc một trạm gia công lại cầu kỳ để hàn các thành phần SMD. Bạn thậm chí không cần kính lúp cho bất kỳ thành phần nào lớn hơn và 0603 (và đôi khi là 0402). Chỉ cần đảm bảo rằng không có chốt bắc cầu và bạn không có bất kỳ mối nối nguội nào. Nếu bạn thấy thứ gì đó "buồn cười", hãy nhỏ một chút chất trợ dung dịch lên đó và dùng bàn ủi đánh nó.

Về chất trợ dung, bạn có thể nên sử dụng chất trợ chảy không sạch, vì nó an toàn khi để lại trên bảng của bạn. Thật không may, thật khó để thực sự làm sạch nó khỏi bảng của bạn. Để làm sạch chất lỏng 'không sạch', hãy loại bỏ những thứ lớn nhất có thể bằng một số cồn tẩy rửa cao cấp, nồng độ trên 90% và tăm bông. Tiếp theo, chải kỹ bằng bàn chải đánh răng cũ (bàn chải đánh răng điện cũ / đầu bàn chải đánh răng hoạt động đẹp). Cuối cùng, đun một ít nước cất để đun cách thủy. Bạn có thể sử dụng một số chất tẩy rửa bát đĩa nếu muốn (chỉ cần đảm bảo rằng nó sẽ không làm hỏng bo mạch của bạn, nó sẽ không làm hỏng bất kỳ kết nối trần nào trên PCB của bạn vì chất tẩy rửa bát đĩa được thiết kế để "gắn" với các thành phần hữu cơ thông qua chất kỵ nước thành phần của xà phòng. Tác dụng kỵ nước-hydrophillic được cung cấp bởi cấu trúc hydrocacbon / kiềm phân cực / không phân cực của các phân tử của nó và có thể bị rửa trôi qua thành phần hydrophillic. Thực sự, vấn đề duy nhất là khi nó không được rửa sạch đúng cách bằng nước cất hoặc nếu nó là chất cực kỳ ăn mòn). IFF bằng một phép lạ nào đó, bạn thực sự loại bỏ tất cả các vết bẩn không sạch bằng cồn, và bạn có thể sẽ không, bạn có thể bỏ qua việc rửa bảng của mình cùng nhau.

Sau 30 phút hoặc lâu hơn, nước nóng sẽ phá vỡ phần còn lại của cặn dính trên bàn cờ của bạn, sau đó bạn có thể đi đến thành phố với bàn chải đánh răng của bạn và loại bỏ phần còn lại. Rửa sạch và để khô trong lò nướng bánh mì đặt ở chế độ thấp nhất hoặc để khô ít nhất 24 giờ ngoài trời. Tốt nhất, bạn nên sử dụng lò nướng bánh mì hoặc súng thổi hơi nóng giá rẻ của Harbour Freight được đặt đủ xa để không chiên bất cứ thứ gì. Bạn cũng có thể sử dụng khí nén để có hiệu quả tương tự.

Một lưu ý nhỏ, hãy cẩn thận khi chải PCB của bạn, vì bạn có thể làm lỏng các linh kiện. Bạn không cần phải ấn xuống quá mạnh, chỉ cần đủ để lông cứng giữa các thành phần.

Bước 5: Bảng năng lượng mặt trời…