Описанная схема используется для зарядки аккумулятора в буферном режиме, т.е. после достижения заданного напряжения зарядный ток начинает уменьшаться. Благодаря этому аккумулятор всегда находится в состоянии готовности. Напряжение, питающее зарядное устройство, может варьироваться в диапазоне 4…25 В. Возможность использования как сильного, так и слабого солнечного света существенно удлиняет время зарядки в течение дня. Ток зарядки сильно зависит от входного напряжения, но такое решение все же имеет преимущества перед простым ограничением избыточного напряжения от модуля солнечной батареи.
Схема зарядного устройства представлена на рис. 1. Источником постоянного напряжения является преобразователь, выполненный на базе дешевой и известной микросхемы MC34063A. Если напряжение, подаваемое на компаратор (вывод 5), слишком низкое, встроенный транзисторный ключ начинает работать с постоянной скважностью и частотой. Работа прекращается, если это напряжение превышает опорное напряжение (обычно 1,25 В).
Рис. 1. Принципиальная схема зарядного устройства
В преобразователях с топологией SEPIC, способных как повышать, так и понижать выходное напряжение, обязательно используются контроллеры, способные изменять наполнение ключевого сигнала.
Использование MC34063A в этой роли является необычным решением, но, как показали испытания прототипа, его достаточно для данного приложения. Еще одним критерием стала цена, которая в случае MC34063A существенно ниже, чем у ШИМ-контроллеров.
Два конденсатора С1 и С2, соединенные параллельно, используются для уменьшения внутреннего сопротивления источника питания, представляющего собой фотоэлектрический модуль. Параллельное соединение снижает результирующие паразитные параметры, такие как сопротивление и индуктивность.
Резистор R1 служит для ограничения тока этого процесса примерно до 0,44 А. Больший ток может вызвать перегрев микросхемы.Конденсатор С3 устанавливает рабочую частоту примерно 80 кГц.
Дроссели L1 и L2 и результирующая емкость конденсаторов С4-С6 подобраны таким образом, чтобы преобразователь мог работать в очень широком диапазоне входных напряжений. Параллельное соединение конденсаторов было призвано уменьшить результирующие ESR и ESL.
LED1 используется для проверки работы контроллера — на катушке L2 появляется переменная составляющая напряжения, которую можно наблюдать по загоранию светодиода. Включается нажатием кнопки S1, чтобы он не светился бессмысленно все время. Резистор R3 ограничивает его ток примерно до 2 мА, а D1 защищает светодиод от пробоя, вызванного чрезмерным обратным напряжением.
Резистор R4 был добавлен для получения лучшей стабильности преобразователя при малом потреблении тока и низком напряжении питания. Он поглощает часть энергии, которую катушка L2 отдает нагрузке. Влияние на КПД оно оказывает, но оно незначительное – действующее значение протекающего через него тока составляет всего несколько миллиампер.
Конденсаторы С8 и С9 сглаживают пульсации тока, подаваемого через диод D2. Резисторный делитель R5-R7 устанавливает выходное напряжение примерно на уровне 13,5 В, что является соответствующим напряжением на выводах гелевой батареи напряжением 12 В в режиме буферного режима. Это напряжение должно незначительно меняться с температурой, но этот факт был опущен, чтобы не усложнять схему. Этот резисторный делитель постоянно нагружает подключенный аккумулятор, поэтому его сопротивление должно быть как можно большим.
Конденсатор С7 уменьшает пульсации напряжения, наблюдаемые компаратором, и снижает скорость срабатывания контура обратной связи. Без него при отключенной аккумуляторной батареи выходное напряжение может превысить безопасное значение для электролитических конденсаторов, поскольку при каждом включении ключа (даже на короткое мгновение) в него закачивается большое количество энергии, не имеющей выхода.
Добавление этого конденсатора приводит к тому, что схема время от времени перестает включать ключ.
Зарядное устройство собрано на односторонней печатной плате размерами 89х27 мм, которая представлена на рис. 2. Все элементы выводные, что является большим удобством для людей с небольшим опытом в использовании паяльника. Не рекомендуется использовать панельку под микросхему, поскольку это увеличит сопротивление соединений с ключевым транзистором.
Рис. 2 Печатная плата контроллера солнечной батареи
Правильно собранное устройство сразу готово к работе и не требует никаких пусковых мероприятий. При налаживании на его вход можно подать постоянное напряжение и регулировать его в заданном диапазоне 4…20 В и наблюдать за показаниями вольтметра, подключенного к выходу. Оно должно изменяться в диапазоне примерно 18 — 13,5 В. Первое значение обусловлено зарядом конденсаторов и не является критическим, но при 13,5 В преобразователь должен возобновить работу.
Ток зарядки зависит от текущего значения входного напряжения, поскольку входной ток ограничен примерно 0,44 А. Как показали измерения, ток зарядки аккумулятора находится в диапазоне примерно от 50 мА (4 В) до примерно 0,6 А при 20 В. Это значение можно уменьшить, увеличив сопротивление R1, что может быть целесообразно для аккумуляторов небольшой емкости (около 2 Ач).
Зарядное устройство предназначено для работы с фотоэлектрическим модулем с номинальным напряжением 12 В. На его клеммах может присутствовать напряжение до 20…22 В при малом потреблении тока, поэтому на входе преобразователя используются конденсаторы на 25 В. При входном напряжении менее 4 В потери настолько велики, что аккумулятор практически не заряжается.
Чтобы в полной мере воспользоваться возможностями зарядного устройства, необходимо подключать к нему модули солнечной батареи мощностью 10 Вт и более. В случае меньшей мощности аккумулятор тоже будет заряжаться, но медленнее.
Общий вид устройства:
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R1 | Резистор | 0.68 Ом | 1 | 1 Вт | ||
| R2 | Резистор | 180 Ом | 1 | 0,25 Вт | ||
| R3 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | 0,25 Вт | ||
| R4 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | 0,25 Вт | ||
| R5 | Резистор | 6.8 кОм | 1 | 0.25 Вт | ||
| R6 | Резистор | 30 кОм | 1 | 0,25 Вт | ||
| R7 | Резистор | 30 кОм | 1 | 0,25 Вт | ||
| Конденсатор | 220 мкФ 25 В | 4 | ||||
| С3 | Конденсатор | 330 пФ | 1 | |||
| Конденсатор | 2.2 мкФ 50 В | 2 | ||||
| С | Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | |||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 50 В | 1 | ||||
| D1 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | |||
| D2 | Диод Шоттки | 1N5819 | 1 | |||
| LED1 | Светодиод | 1 | 5 мм зеленый | |||
| US1 | DC/DC импульсный конвертер | MC34063A | 1 | |||
| L1, L2 | Катушка индуктивности | 220 мкГ | 2 | |||