Ładowarka Solarna 12 V SLA: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Jakiś czas temu wszedłem w posiadanie "Cytryny" quad-by-side ATV. Wystarczy powiedzieć, że jest w tym DUŻO zła. W pewnym momencie zdecydowałem, że „HEJ, powinienem po prostu zbudować własną ładowarkę do baterii słonecznych o dużej mocy, aby ładować tanią baterię, która jest martwa jak w drzwiach, podczas gdy reflektory są włączone!” Ostatecznie przekształciło się to w pomysł, że „HEJ, powinienem użyć tego gówna baterii do zasilania niektórych zdalnych projektów, które planuję!”

Tak narodziła się ładowarka do baterii słonecznych „Lead Buddy”.

Początkowo patrzyłem na wyprowadzenie mojego projektu z „Sunny Buddy” Sparkfun (stąd wziąłem nazwę), ale przypadkiem zauważyłem, że komponent, którego już używałem w innym projekcie, faktycznie miał notatkę aplikacyjną dotyczącą użycia jako ładowarka do baterii słonecznych (której przegapiłem podczas wcześniejszego przeglądania arkusza danych) - LTC4365 urządzenia Analog Device! Nie ma MPPT, ale hej, nie ma też „Sunny Buddy” Sparkfun (przynajmniej nie jest to prawdziwy MPPT…). Więc jak dokładnie to naprawimy? Cóż, drogi czytelniku, przeglądasz notatki z aplikacji!!! W szczególności AN1521 firmy Microchip „Praktyczny przewodnik wdrażania algorytmów MPPT dla paneli słonecznych”. W rzeczywistości jest to dość interesująca lektura i zapewnia wiele różnych metod implementacji sterowania MPPT. Potrzebujesz tylko dwóch czujników, czujnika napięcia (dzielnika napięcia) i czujnika prądu i potrzebujesz dokładnie jednego wyjścia. Zdarzyło mi się wiedzieć o specjalnym czujniku prądu, który może być używany z tranzystorem MOSFET z kanałem N, zwanym IR25750 firmy International Rectifier. Ich AN-1199 na IR25750 jest również ciekawą lekturą. Na koniec potrzebujemy mikrokontrolera, który połączy całość, a ponieważ potrzebujemy tylko 3 pinów, wejdź do ATtiny10!

Krok 1: Wybór części, rysowanie schematów

Teraz, gdy mamy już 3 podstawowe części, musimy zacząć wybierać różne inne komponenty, które muszą towarzyszyć naszym układom scalonym. Naszym kolejnym ważnym komponentem są nasze tranzystory MOSFET, w szczególności dla tej wersji (patrz ostatni krok, aby uzyskać więcej informacji na ten temat), zdecydowałem się użyć DWÓCH SQJB60EP Dual N-Channel MOSFET. Jeden MOSFET jest kontrolowany wyłącznie przez LTC4365, a drugi MOSFET jest skonfigurowany tak, że jeden FET działa jako "idealna dioda niskiego poziomu" przeznaczona do odwrotnej ochrony wejścia (jeśli szukasz tego w google, prawdopodobnie nie wymyślisz notatki aplikacyjne od TI i Maxima na ten temat, musiałem się do tego dokopać.), podczas gdy drugi FET jest kontrolowany przez 16-bitowy zegar PWM ATtiny10 (lub jakąkolwiek rozdzielczość wybierzesz…). Następnie przychodzą nasze bierne cechy, które szczerze mówiąc nie są tak ważne, aby je wymieniać. Składają się z rezystorów do dzielników napięcia / programowania ładowarki i różnych kondensatorów obejściowych / magazynujących, po prostu upewnij się, że twoje rezystory są w stanie obsłużyć rozpraszaną przez nie moc i że twoje kondensatory mają rozsądne tolerancje temperatury (X5R lub lepsze). Ważne jest, aby pamiętać, że ze względu na sposób, w jaki jest to zaprojektowane, bateria MUSI być dołączona do płyty, aby mogła działać.

Ustawiłem LTC4365 tak, aby mógł ładować akumulatory 12 lub 24 V poprzez przełączenie zworki (aby zapewnić pinowi OV na ładowarce napięcie 0,5 V, gdy akumulator jest naładowany do około 2,387 V/ogniwo dla akumulatorów 12 V). Dzielnik napięcia ładowarki jest również kompensowany temperaturowo przez rezystor 5k PTC, który łączy się z płytą za pomocą złącza 2,54 mm i łączy się z bokiem akumulatora za pomocą przewodzącego ciepło związku zalewania lub nawet taśmy klejącej. Musimy również użyć kilku zenerów w całym projekcie, a mianowicie do napędzania tranzystora MOSFET napięciowego wstecznego (jak również do zasilania drugiego FET w przypadku, gdy nie instalujesz komponentów MPPT za pomocą zworki) i do ochrony LTC4365 piny od przepięcia. Będziemy zasilać ATtiny10 regulatorem samochodowym 5V o napięciu wejściowym 40V.

Bezpieczniki…

Ważną rzeczą do zapamiętania jest to, że powinieneś ZAWSZE mieć bezpieczniki na wejściach i wyjściach, jeśli chodzi o ładowarki akumulatorów, i że powinieneś ZAWSZE używać ochrony OV na wejściach wysokoprądowych (IE-bateria). Wejścia niskoprądowe nie mogą łatwo mieć zaimplementowanego OVP (obwody łomowe IE), ponieważ często nie mogą wytwarzać wystarczającego prądu do wyzwolenia wyłącznika/bezpiecznika. Może to prowadzić do fatalnej sytuacji, w której twój TRIAC/SCR zacznie się przegrzewać, potencjalnie ulegając awarii, powodując uszkodzenie komponentów na linii lub powodując, że twój projekt eksploduje w płomieniach. Musisz być w stanie dostarczyć wystarczający prąd, aby faktycznie przepalić bezpiecznik w odpowiednim czasie (co może zrobić nasza bateria 12V). Jeśli chodzi o bezpieczniki, zdecydowałem się na 0453003. MR firmy Littlefuse. To fantastyczny bezpiecznik w bardzo małej obudowie SMD. Jeśli zdecydujesz się na większe bezpieczniki, takie jak bezpieczniki 5x20mm, PROSZĘ Z MIŁOŚCI DO TEGO WYŻSZEGO, O KTÓRYM SIĘ MODLISZ….. Nie używaj bezpieczników szklanych. Bezpieczniki szklane mogą pęknąć, gdy wybuchną, wysyłając kawałki gorącego stopionego metalu i ostrego szkła po całej płycie, powodując wszelkiego rodzaju uszkodzenia. ZAWSZE używaj lontów ceramicznych, większość z nich jest wypełniona piaskiem, aby podczas wybuchu nie usmażyły deski ani domu (nie wspominając o tym, że sama ceramika również powinna pomagać w ochronie, podobnie jak używany pancerz ceramiczny do ochrony nowoczesnych wozów bojowych przed głowicami ładunków kumulacyjnych/NAPRAWDĘ GORĄCYMI DYSZAMI PLAZMY). Możliwość „zobaczenia” tego małego drutu w bezpieczniku (którego i tak możesz nie widzieć, zwłaszcza jeśli jesteś prawie niewidomy) nie jest warta posiadania tlącego się stosu węgla drzewnego tam, gdzie kiedyś był twój dom. Jeśli potrzebujesz przetestować bezpiecznik, użyj multimetru, aby sprawdzić jego rezystancję.

Ochrona ESD

Dawno minęły czasy, w których do ochrony naszych projektów elektronicznych polegaliśmy wyłącznie na drogich warystorach o wartości 5-10 USD. Powinieneś ZAWSZE dorzucić jakieś diody TVS lub Transient Voltage Supression. Dosłownie nie ma powodu, aby tego nie robić. Każde wejście, zwłaszcza wejście panelu słonecznego, powinno być chronione przed ESD. W przypadku uderzenia pioruna w pobliżu paneli słonecznych/rozciągniętych przewodów, ta mała dioda TVS w połączeniu z bezpiecznikiem może zapobiec uszkodzeniu projektu przez wszelkiego rodzaju ESD/EMP (co jest piorunem). strajk jest, tak jakby….). Nie są tak trwałe jak MOV, ale z pewnością mogą wykonać zadanie przez większość czasu.

Co prowadzi nas do naszej następnej pozycji, Spark gaps. "Co to są iskierniki?!?" Cóż, iskierniki są w zasadzie tylko śladem, który rozciąga się do płaszczyzny uziemienia z jednego z twoich pinów wejściowych, z którego usunięto maskę lutowniczą i lokalną płaszczyznę uziemienia i jest wystawiony na otwarte powietrze. Mówiąc najprościej, pozwala to ESD na przejście łukiem prosto do płaszczyzny uziemienia (ścieżka o najmniejszym oporze) i miejmy nadzieję, że oszczędzi Twój obwód. Nie kosztują absolutnie nic do dodania, więc zawsze powinieneś je dodawać tam, gdzie możesz. Możesz obliczyć odległość, jakiej potrzebujesz między śladem a płaszczyzną uziemienia, aby zabezpieczyć się przed pewnym napięciem, korzystając z prawa Paschena. Nie będę dyskutował, jak to obliczyć, ale wystarczy powiedzieć, że zalecana jest ogólna znajomość rachunku różniczkowego. W przeciwnym razie powinieneś być w porządku z odstępem 6-10 mil między śladem a ziemią. Wskazane jest również użycie zaokrąglonego śladu. Zobacz zdjęcie, które zamieściłem, aby zobaczyć pomysł, jak to wdrożyć.

Samoloty naziemne

Nie ma powodu, aby nie używać jednego dużego wylewu w większości projektów elektronicznych. Co więcej, bardzo marnotrawstwem jest nieużywanie ziemi, ponieważ cała ta miedź będzie musiała zostać wytrawiona. Już płacisz za miedź, równie dobrze możesz nie zanieczyszczać dróg wodnych w Chinach (lub gdziekolwiek) i wykorzystać ją jako samolot naziemny. Wylewki kreskowane mają bardzo ograniczone zastosowania we współczesnej elektronice i rzadko, jeśli w ogóle, są używane w tym celu, ponieważ wylewy z litego gruntu mają rzekomo lepsze właściwości dla sygnałów o wysokiej częstotliwości, nie wspominając już o tym, że lepiej ekranują wrażliwe ścieżki ORAZ mogą zapewnić obejście pojemność z "żywą" płaszczyzną, jeśli używasz płyty wielowarstwowej. Należy również zauważyć, że jeśli używasz pieca rozpływowego lub stacji naprawczej na gorące powietrze, nie zaleca się solidnych połączeń płaszczyzny uziemienia z elementami pasywnymi, ponieważ mogą one „odkamieniać” po ponownym rozlaniu, ponieważ płaszczyzna uziemienia ma większą masę termiczną który musi być podgrzany, aby lut się stopił. Z pewnością możesz to zrobić, jeśli jesteś ostrożny, ale powinieneś użyć podkładek termicznych lub tego, co EasyEDA nazywa „szprychami”, aby podłączyć podkładkę uziemiającą elementu pasywnego. Moja płyta korzysta z podkładek termicznych, chociaż ponieważ lutuję ręcznie, tak naprawdę nie ma to znaczenia.

Na rozpraszanie ciepła…

Nasza ładowarka solarna nie powinna rozpraszać zbyt dużo ciepła, nawet przy maksymalnym prądzie projektowym 3A (zależnym od bezpiecznika). W najgorszym przypadku rezystancja naszego SQJB60EP wynosi 0,016mOhm przy 4,5V przy 8A (SQJ974EP w mojej drugiej wersji, przy 0,0325mOhm, zobacz moje notatki na końcu, aby uzyskać więcej informacji). Używając prawa Ohma, P=I^2 * R, nasze rozpraszanie mocy wynosi 0,144W przy 3A (Teraz widzisz, dlaczego użyłem tranzystorów MOSFET z kanałem N w naszym obwodzie "diody" MPPT i napięcia wstecznego). Nasz samochodowy regulator 5V też nie powinien się zbytnio rozpraszać, ponieważ pobieramy najwyżej kilkadziesiąt miliamperów. Przy akumulatorze 12 V, a nawet 24 V, nie powinniśmy widzieć wystarczającej utraty mocy na regulatorze, aby naprawdę martwić się o jego odprowadzanie ciepła, jednak zgodnie z doskonałą notą aplikacyjną TI na ten temat, większość mocy jest rozpraszana w postaci ciepła przewodzić z powrotem do samej płytki drukowanej, ponieważ jest to ścieżka najmniejszego oporu. Na przykład nasz SQJB60EP ma odporność termiczną na wkładkę drenażową 3,1 C/W, podczas gdy opakowanie z tworzywa sztucznego ma odporność termiczną 85 C/W. Zatapianie jest znacznie bardziej efektywne, gdy odbywa się przez samą płytkę drukowaną, tj. układanie ładnych, dużych płaszczyzn dla komponentów, które rozpraszają dużo ciepła (w ten sposób zamieniając płytkę drukowaną w rozgałęźnik), lub prowadzenie przelotek na przeciwną stronę płytki od mniejsza płaszczyzna na górze, aby umożliwić bardziej zwarte projekty. (Prowadzenie przelotek termicznych do płaszczyzny po przeciwnej stronie deski umożliwia również łatwe przymocowanie radiatora / ślimaka do tylnej strony deski lub rozproszenie tego ciepła przez płaszczyznę uziemienia innej deski, gdy jest ona przymocowana jako moduł.) Jednym szybkim i brudnym sposobem obliczenia, ile mocy można bezpiecznie rozproszyć z elementu, to (Tj - Tamb) / Rθja = Moc. Aby uzyskać więcej informacji, gorąco zachęcam do przeczytania notatki aplikacji TI.

I w końcu…

Jeśli chcesz mieć swój projekt wewnątrz kontenera, tak jak planuję to zrobić, ponieważ będzie on oczywiście używany na zewnątrz, zawsze powinieneś wybrać swój kontener/pudełko przed rozłożeniem deski. W moim przypadku wybrałem EX-51 firmy Polycase i tak zaprojektowałem swoją płytę. Zaprojektowałem również płytę „panelu przedniego”, która łączy się z ażurowymi „otworami” wejścia słonecznego, a dokładniej szczelinami (pasujące do płyty o grubości 1,6 mm). Połącz je ze sobą i gotowe. Panel ten posiada wodoodporne złącza firmy Switchcraft. Nie zdecydowałem jeszcze, czy użyję „panelu przedniego” czy „tylnego”, ale niezależnie od tego, będę również potrzebował „wodoszczelnego przepustu kablowego” zarówno dla wejścia, jak i wyjścia, a także dla naszego termistora akumulatora. Dodatkowo moją ładowarkę można również zamontować na płytce jako moduł (stąd ażurowe otwory).

Krok 2: Zdobycie części

Zamawianie części może być trudnym zadaniem, biorąc pod uwagę liczbę dostawców i fakt, że od czasu do czasu gubią się małe części (np. rezystory, kondensatory). Faktycznie zgubiłem rezystory do obwodu ładowania akumulatora 24V. Na szczęście nie będę używał obwodu ładowania 24V.

Zdecydowałem się zamówić moją płytkę drukowaną w JLCPCB, ponieważ jest tania jak barszcz. Wydawało się również, że przestawili się na proces "zdjęcia obrazu", który pozostawia ładne, ostre sitodruki (i maski lutownicze), odkąd ostatnio u nich zamówiłem. Niestety, nie zapewniają już bezpłatnej wysyłki, więc albo będziesz musiał poczekać tydzień lub dwa, aby ją otrzymać, albo musisz zapłacić 20 USD+ za wysyłkę za pośrednictwem DHL…. Jeśli chodzi o moje komponenty, wybrałem Arrow, ponieważ mają bezpłatną wysyłkę. Musiałem tylko kupić termistor od Digikey, ponieważ Arrow go nie miał.

Zazwyczaj elementy pasywne o rozmiarze 0603 są w porządku do lutowania. Komponenty o rozmiarze 0402 mogą być trudne i łatwo je zgubić, więc zamów co najmniej dwa razy tyle, ile potrzebujesz. Zawsze sprawdzaj, czy wysłali ci wszystkie komponenty. Jest to szczególnie ważne, jeśli nie konsolidują zamówienia, a zamiast tego wysyłają 20 różnych pudełek za pośrednictwem FedEx.

Krok 3: Przygotowanie…

Przygotowanie do lutowania…. Naprawdę nie potrzebujesz tylu narzędzi do lutowania. Tania, umiarkowanie zasilana lutownica, topnik, lut, pęseta i nożyce to wszystko, czego potrzebujesz. NALEŻY również mieć pod ręką gaśnicę i ZAWSZE mieć przygotowaną maskę, aby odfiltrować zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu odłożone przez topnik, który jest rakotwórczy/toksyczny.

Krok 4: Łączenie w całość

Montaż PCB jest naprawdę prosty. To właściwie po prostu „odlutuj jedną podkładkę, przylutuj jeden pin do tej zakładki, a następnie „przeciągnij i przylutuj” resztę pinów”. Do lutowania elementów SMD nie potrzebujesz mikroskopu ani wymyślnej stacji naprawczej. Nie potrzebujesz nawet szkła powiększającego do elementów większych niż 0603 (a czasami 0402). Tylko upewnij się, że nie ma zmostkowanych kołków i że nie masz żadnych zimnych połączeń. Jeśli zobaczysz coś „śmiesznego”, nałóż na to trochę topnika i uderz żelazkiem.

Jeśli chodzi o topnik, prawdopodobnie powinieneś użyć topnika no-clean, ponieważ można go bezpiecznie pozostawić na desce. Niestety, czyszczenie go z deski jest uciążliwe. Aby wyczyścić topnik „nie wymagający czyszczenia”, usuń jak najwięcej dużych rzeczy za pomocą wysokiej jakości alkoholu do wycierania o stężeniu powyżej 90% i wacika bawełnianego. Następnie dobrze wyszczotkuj starą szczoteczką do zębów (stare elektryczne szczoteczki do zębów/głowice szczoteczki działają pięknie). Na koniec podgrzej trochę wody destylowanej do kąpieli w gorącej wodzie. Możesz użyć detergentu do naczyń, jeśli chcesz (tylko upewnij się, że nie skręci Twojej płytki, nie powinien uszkodzić żadnych nieosłoniętych połączeń na płytce drukowanej, ponieważ detergenty do naczyń są zaprojektowane tak, aby „przyczepiały się” do organicznych komponentów poprzez hydrofobowe składnik mydła. Hydrofobowo-hydrofilowe działanie zapewnia polarna/niepolarna struktura węglowodorowa/alkaliczna cząsteczek mydła i może zostać zmyta przez składnik hydrofilowy. Tak naprawdę jedynym problemem jest to, że nie jest odpowiednio spłukiwane wodą destylowaną lub jeśli jest bardzo żrący). IFF jakimś cudem faktycznie usuwasz cały nieczysty topnik alkoholem, a prawdopodobnie nie, możesz pominąć mycie deski razem.

Po około 30 minutach gorąca woda powinna rozbić resztę lepkich pozostałości na desce, a następnie możesz iść do miasta ze szczoteczką do zębów i usunąć resztę. Dobrze wypłucz i pozostaw do wyschnięcia w piekarniku tostera ustawionym na najniższe ustawienie lub pozostaw do wyschnięcia na co najmniej 24 godziny na świeżym powietrzu. Najlepiej byłoby użyć tostera lub taniego pistoletu na gorące powietrze z Harbour Freight trzymanego na tyle daleko, aby niczego nie smażyć. W tym samym celu można również użyć sprężonego powietrza.

Na marginesie, zachowaj ostrożność podczas szczotkowania płytek PCB, ponieważ możesz poluzować komponenty. Nie musisz bardzo mocno dociskać, wystarczy, aby włosie znalazło się między elementami.

Krok 5: Panele słoneczne…