Solární nabíječka baterií 12V SLA: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Před nějakou dobou jsem dostal do držení „citrona“čtyřkolky vedle sebe. Stačí říci, že je na tom VELMI špatně. V určitém okamžiku jsem se rozhodl, že „Hej, měl bych si jen postavit vlastní vysoce výkonnou solární nabíječku baterií, aby byla levná baterie mrtvých za dveřmi nabitá, zatímco budou svítit světlomety!“Nakonec to přerostlo v myšlenku, že „Hej, měl bych použít tu baterku k napájení některých vzdálených projektů, které jsem plánoval!“

Tak se zrodila nabíječka solárních baterií „Lead Buddy“.

Zpočátku jsem se podíval na odvození svého návrhu ze Sparkfunova „Sunny Buddy“(odtud jsem dostal jméno), ale náhodou jsem si všiml, že komponenta, kterou jsem již používal v jiném projektu, ve skutečnosti měla poznámku k použití jako nabíječka solárních baterií (která mi při procházení datasheetu dříve chyběla) - LTC4365 od Analog Device! Nemá MPPT, ale hej, ani Sparkfunův „Sunny Buddy“(alespoň tak jako tak není pravý MPPT…). Jak přesně to tedy vyřešíme? No, drahý čtenáři, prohlížíte si poznámky k aplikaci !!! Konkrétně Microchip AN1521 „Praktický průvodce implementací algoritmů MPPT solárních panelů“. Je to vlastně docela zajímavé čtení a poskytuje vám několik různých metod implementace řízení MPPT. Potřebujete pouze dva snímače, napěťový snímač (dělič napětí) a proudový snímač a potřebujete přesně jeden výstup. Náhodou jsem věděl o speciálním proudovém senzoru, který lze použít s N-kanálovým MOSFETem, nazývaným IR25750 od International Rectifier. Jejich AN-1199 na IR25750 je také zajímavé čtení. Nakonec potřebujeme mikrokontrolér, abychom to celé propojili, a protože nám stačí jen 3 piny, zadejte ATtiny10!

Krok 1: Výběr dílů, výkresová schémata

Nyní, když máme naše 3 primární části, musíme začít vybírat různé další komponenty, které musí doprovázet naše integrované obvody. Naší další důležitou součástí jsou naše MOSFETy, konkrétně pro tuto revizi (více informací o tom viz poslední krok) jsem se rozhodl použít DVA SQJB60EP Dual N-Channel MOSFETy. Jeden MOSFET je řízen výlučně LTC4365 a druhý MOSFET je nastaven tak, aby jeden FET fungoval jako „ideální dioda na nízké straně“určená pro ochranu proti zpětnému vstupu (Pokud to budete hledat na Googlu, pravděpodobně nepřijdete s poznámky k aplikaci od TI a Maxima k tomuto tématu, musel jsem si to vykopat.), zatímco druhý FET je řízen 16bitovým PWM časovačem ATtiny10 (nebo jakýmkoli zvoleným rozlišením …). Dále přijdou na řadu naše pasivy, jejichž upřímnost není tak důležitá. Skládají se z rezistorů pro napěťové děliče/programování nabíječek a různých obtokových/úložných kondenzátorů, jen se ujistěte, že vaše rezistory zvládnou energii rozptýlenou skrz ně a že vaše kondenzátory mají rozumné teplotní tolerance (X5R nebo lepší). Je důležité si uvědomit, že kvůli tomu, jak je to navrženo, MUSÍ být k desce připojena baterie, aby fungovala.

Nastavil jsem LTC4365 tak, aby mohl nabíjet baterie 12 nebo 24 V přepnutím propojky (aby zajistil pin OV na nabíječce 0,5 V, když je baterie nabitá na přibližně 2,387 V/článek pro baterie 12V). Dělič napětí nabíječky je také teplotně kompenzován pomocí 5k PTC rezistoru, který se připojuje k desce pomocí konektoru 2,54 mm a připojí se k boku baterie buď tepelně vodivou zalévací hmotou, nebo dokonce lepicí páskou. Musíme také použít několik zenerů v celém designu, a to pro řízení zpětného napětí MOSFET (stejně jako napájení druhého FET v případě, že neinstalujete komponenty MPPT přes propojovací podložku) a pro ochranu LTC4365 piny z přepětí. ATtiny10 budeme napájet automobilovým regulátorem 5V dimenzovaným na vstup 40V.

Pojistky…

Jedna důležitá věc, kterou je třeba si uvědomit, je, že byste měli VŽDY mít pojistky na vstupech a výstupech, pokud jde o nabíječky baterií, a že na silnoproudých vstupech (IE-baterie) byste měli VŽDY používat ochranu proti OV. Nízkonapěťové vstupy nemohou mít snadno implementovány OVP (obvody páčidla IE), protože často nemohou produkovat dostatek proudu k vypnutí jističe/pojistky. To může vést k fatální situaci, kdy se váš TRIAC/SCR začne přehřívat, což může potenciálně selhat, což způsobí poškození buď vašich komponent v řadě, nebo způsobí výbuch vašeho projektu v plamenech. Musíte být schopni dodat dostatek proudu, abyste skutečně včas vypálili pojistku (což naše 12V baterie MŮŽE udělat). Pokud jde o pojistky, rozhodl jsem se jít s 0453003. MR od Littlefuse. Je to fantastická pojistka ve velmi malém balení SMD. Pokud se rozhodnete jít s většími pojistkami, jako jsou pojistky 5x20 mm, PROSÍM, ZA LÁSKU VEŠKERÉHO VYŠŠÍHO BÝVÁNÍ SE MODLITE…… Nepoužívejte skleněné pojistky. Skleněné pojistky se mohou rozbít, když prasknou, a pošlou kousky horkého roztaveného kovu a ostré sklo po celé vaší desce, čímž způsobí všechny druhy poškození. VŽDY používejte keramické pojistky, většina z nich je naplněna pískem, takže když foukají, nesmaží vaši desku ani váš dům (nemluvě o tom, že samotná keramika by také měla pomáhat v ochraně, podobně jako použité keramické brnění k ochraně moderních bojových vozidel před tvarovanými náložovými hlavicemi/ SKUTEČNĚ HORKÉ JETY PLAZMY). Schopnost „vidět“ten malý drát ve vaší pojistce (to možná stejně neuvidíte, zvláště pokud jste téměř slepí) nemá cenu mít doutnající hromadu dřevěného uhlí tam, kde býval váš dům. Pokud potřebujete pojistku vyzkoušet, pomocí multimetru zkontrolujte její odpor.

ESD ochrana

Doby, kdy jsme se při ochraně našich elektronických projektů spoléhali výhradně na drahé varistory za 5–10 $, jsou dávno pryč. VŽDY byste měli vložit nějaké diody TVS nebo Transistor Voltage Supression. Neexistuje doslova žádný důvod, proč ne. Jakýkoli vstup, zejména vstup solárního panelu, by měl být chráněn před ESD. V případě úderu blesku poblíž vašich solárních panelů/jakéhokoli roztažení drátu může tato malá dioda TVS v kombinaci s pojistkou zabránit poškození vašeho projektu jakýmkoli druhem ESD/EMP (což je to, co blesk Strike is, sorta ….). Nejsou zdaleka tak trvanlivé jako MOV, ale většinu času práci určitě zvládnou.

Čímž se dostáváme k naší další položce, Spark gaps. „Co jsou to jiskřiště?!?“Jiskřiště jsou v podstatě jen stopa, která se rozprostírá do základní roviny z jednoho z vašich vstupních kolíků, která z něj a z místní zemské roviny odstraní masku a je vystavena otevřenému vzduchu. Jednoduše řečeno, umožňuje ESD oblouk přímo do vaší pozemní roviny (cesta nejmenšího odporu), a doufejme, že ušetří váš obvod. Jejich přidání nestojí absolutně nic, takže byste je měli vždy přidat, kde můžete. Pomocí Paschenova zákona můžete vypočítat vzdálenost, kterou potřebujete mezi vaší stopou a pozemní rovinou k ochraně před určitým napětím. Nebudu diskutovat o tom, jak to vypočítat, ale stačí říci, že se doporučuje obecná znalost počtu. Jinak byste měli být v pořádku s prostorem 6–10 mil mezi stopou a zemí. Doporučuje se také použít zaoblenou stopu. Nápad, jak jej implementovat, najdete na obrázku, který jsem zveřejnil.

Pozemní letadla

Ve většině projektů v oblasti elektroniky není důvod nepoužívat jednu velkou zem. Kromě toho je extrémně nehospodárné nepoužívat zemní odlitky, protože veškerá tato měď bude muset být odleptána. Za měď už platíte, možná ji také neznečistíte čínské vodní cesty (nebo kdekoli) a dobře ji využijete jako pozemní letadlo. Šrafované výlevy mají v moderní elektronice velmi omezené použití a jen zřídka, pokud se už někdy v tomto smyslu používají, mají pevné zemní zářiče údajně lepší vlastnosti pro vysokofrekvenční signály, nemluvě o tom, že jsou lepší při stínění citlivých stop A mohou poskytnout určitý bypass kapacita s „živou“rovinou, pokud používáte vícevrstvou desku. Je také důležité si uvědomit, že pokud používáte přetavovací pec nebo teplovzdušnou přepracovací stanici, nedoporučuje se připojení pevných pasivních ploch k pasivním komponentám, protože při přetavení mohou „náhrobek“, protože základní rovina má větší tepelnou hmotnost aby se pájka roztavila, musí být zahřátá. Pokud jste opatrní, určitě to zvládnete, ale měli byste použít podložky s tepelným odlehčením nebo to, čemu EasyEDA říká „paprsky“, ke kterému je připojena zemnící podložka vaší pasivní součásti. Moje deska používá podložky s tepelným odlehčením, ačkoli vzhledem k tomu, že pájím ručně, na tom v žádném případě nezáleží.

Při odvodu tepla…

Naše solární nabíječka by neměla odvádět příliš mnoho tepla, a to ani při maximálním navrženém proudu 3A (v závislosti na pojistce). V nejhorším případě je náš odpor SQJB60EP 0,016 mOhm při 4,5 V při 8 A (SQJ974EP v mé druhé revizi, při 0,0325 mOhm, více informací najdete v mých poznámkách na konci). Při použití Ohmova zákona, P = I^2 * R, je náš ztrátový výkon 0,144 W při 3 A (nyní vidíte, proč jsem pro obvod MPPT a „diodový“obvod MPPT a zpětné napětí použil N -kanálové MOSFETy). Náš automobilový 5V regulátor by se také neměl příliš rozptýlit, protože čerpáme maximálně několik desítek miliampérů. S baterií 12 V nebo dokonce 24 V bychom na regulátoru neměli vidět dostatečnou ztrátu energie, abychom se opravdu museli starat o to, že ji pohlcuje teplo, ale podle vynikající poznámky k aplikaci TI k tomuto problému se většina vaší energie rozptýlí jako teplo. vést zpět do samotné desky plošných spojů, protože je to cesta nejmenšího odporu. Náš SQJB60EP má například tepelný odpor 3,1 C/W k odtokové podložce, zatímco plastový obal má tepelný odpor 85 C/W. Snížení tepla je mnohem efektivnější, když se provádí přes samotnou desku plošných spojů, IE- rozložení pěkných velkých rovin pro vaše součásti, které odvádějí velké množství tepla (čímž se vaše deska plošných spojů stane rozdělovačem hlavy), nebo směrování průchodek na opačnou stranu desky z menší rovina nahoře umožňuje kompaktnější provedení. (Směrování tepelných průchodů do roviny na opačné straně desky také umožňuje snadné připevnění chladiče/slimáku na zadní stranu desky nebo nechat toto teplo rozptýlit přes základní rovinu jiné desky, když je připojeno jako Modul.) Jedním rychlým a špinavým způsobem můžete vypočítat, kolik energie můžete bezpečně rozptýlit ze součásti, je (Tj - Tamb) / Rθja = Power. Pro více informací vám důrazně doporučujeme přečíst si poznámku k aplikaci od TI.

A nakonec…

Pokud chcete mít svůj projekt uvnitř kontejneru, jako mám v plánu dělat to, co bude zjevně použito venku, měli byste vždy před položením desky vybrat svůj kontejner/krabici. V mém případě jsem si vybral Polycase EX-51 a navrhl jsem svou desku jako takovou. Navrhl jsem také desku „předního panelu“, která se připojuje k prolamovaným „otvorům“slunečního vstupu (přesněji řečeno k otvorům (které se hodí k desce o tloušťce 1,6 mm)). Spojte je dohromady a můžete vyrazit. Tento panel má vodotěsné konektory od společnosti Switchcraft. Ještě jsem se nerozhodl, zda budu používat „přední panel“nebo „zadní panel“, ale bez ohledu na to budu také potřebovat „vodotěsnou kabelovou průchodku“pro vstup nebo výstup, stejně jako pro náš bateriový termistor. Kromě toho může být moje nabíječka také nainstalována na desku jako modul (odtud propadlé otvory).

Krok 2: Získání vašich dílů

Objednávka vašich dílů může být nesnesitelný úkol, vzhledem k počtu prodejců a vzhledem ke skutečnosti, že se malé části čas od času ztratí (tj. Odpory, kondenzátory). Ve skutečnosti jsem ztratil odpory pro obvod nabíjení baterie 24V. Naštěstí nebudu používat nabíjecí obvod 24V.

Rozhodl jsem se objednat svůj PCB z JLCPCB, protože je špinavý levný. Zdálo se také, že přešli na proces „schopný fotografického obrazu“, který zanechává pěkné ostré sítotisky (a prodávané masky) od doby, kdy jsem u nich naposledy objednával. Bohužel již neposkytují bezplatnou dopravu, takže na její získání budete muset buď čekat jeden nebo dva týdny, nebo budete muset zaplatit 20 USD+ za doručení prostřednictvím DHL…. Pokud jde o mé komponenty, šel jsem s Arrow, protože mají dopravu zdarma. Musel jsem koupit pouze termistor z Digikey, protože Arrow to neměl.

Pro pájení je typicky pasivní pasiv velikosti 0603. Komponenty velikosti 0402 mohou být obtížné a snadno se ztratí, proto objednejte alespoň dvakrát tolik, kolik potřebujete. Vždy zkontrolujte, zda vám poslali všechny vaše součásti. To je obzvláště důležité, pokud neskonsolidují vaši objednávku a místo toho vám pošlou 20 různých polí přes FedEx.

Krok 3: Příprava…

Příprava na pájení…. K pájení opravdu nepotřebujete tolik nástrojů. Levná, středně výkonná páječka, tavidlo, pájka, pinzeta a nůžky jsou vše, co potřebujete. MĚLI byste mít také připravený hasicí přístroj a VŽDY byste měli mít připravenou masku k odfiltrování vzdušných znečišťujících látek odražených tokem, který je rakovinotvorný/toxický.

Krok 4: Dát to dohromady

Sestavení desky plošných spojů je opravdu jednoduché. Je to do značné míry jen „pocínujte jednu podložku, připájejte jeden kolík k této záložce a poté„ přetáhněte pájku “ostatní kolíky“. K pájení součástek SMD nepotřebujete mikroskop ani efektní přepracovávací stanici. Na nic většího než a 0603 (a někdy i 0402) součástí nepotřebujete ani lupu. Jen se ujistěte, že neexistují žádné přemostěné kolíky a že nemáte žádné studené spoje. Pokud vidíte něco „legračního“, dejte na to trochu tavidla a trefte to žehličkou.

Pokud jde o tok, pravděpodobně byste měli použít ne čistý tok, protože je bezpečné nechat ho na desce. Bohužel je bolestné to ve skutečnosti vyčistit z desky. Chcete-li vyčistit tavidlo „bez čištění“, odstraňte co nejvíce velkých věcí pomocí kvalitního třecího alkoholu s koncentrací nad 90% a vatovým tamponem. Dále jej dobře vyčistěte starým zubním kartáčkem (staré elektrické zubní kartáčky/hlavy zubních kartáčků fungují krásně). Nakonec zahřejte trochu destilované vody pro horkou vodní lázeň. Pokud chcete, můžete použít nějaký prostředek na nádobí (jen se ujistěte, že vám to nebude královsky šroubovat desku, nemělo by to poškodit žádné holé spoje na vaší desce plošných spojů, protože mycí prostředky na nádobí jsou navrženy tak, aby se "přichytily" k organickým složkám prostřednictvím hydrofobního Hydrofobní a hydrofilní účinek je zajištěn polární/nepolární uhlovodíkovou/alkalickou strukturou jeho molekul a lze jej smýt pomocí hydrofilní složky. Jediným problémem je, když není řádně opláchnut destilovanou vodou nebo pokud je extrémně korozivní). IFF nějakým zázrakem ve skutečnosti odstraníte veškerý ne čistý tok alkoholem a pravděpodobně to neuděláte, můžete přeskočit praní vaší desky dohromady.

Asi po 30 minutách by měla horká voda rozbít zbytek lepkavých zbytků na vaší desce, poté můžete vyrazit do města se zubním kartáčkem a zbytek z něj sundat. Dobře opláchněte a nechte uschnout v toustovačce nastavené na nejnižší stupeň, nebo nechte schnout alespoň 24 hodin na čerstvém vzduchu. V ideálním případě byste měli použít buď toustovač, nebo levnou horkovzdušnou pistoli od Harbour Freight drženou dostatečně daleko, aby se nic nesmažilo. Ke stejnému účinku můžete také použít stlačený vzduch.

Jako vedlejší poznámku buďte opatrní při kartáčování desek plošných spojů, protože můžete uvolnit součásti. Nemusíte příliš tlačit, jen tolik, aby se štětiny dostaly mezi komponenty.

Krok 5: Solární panely…