На этот раз я решил сделать автомат, который автоматически включает светодиодное освещение в садовой беседке. Поскольку поблизости нет розетки, а постоянное протягивание удлинителя достаточно утомительное занятие, я решил запитать светодиоды от аккумулятора с подзарядкой от солнечных элементов.

Ранее был описан очень похожий , который освещает стеклянную полку в шкафу. Используя этот драйвер, возникла бы проблема, поскольку для освещения беседки нам нужно больше света, чем для освещения стеклянной полки. Так же, применение более мощного источника света будет быстрее разряжать аккумулятор, который может выйти из строя в результате глубокой разрядки элементов в батарее.

Чтобы этого не допустить, я решил создать простой драйвер с защитой от слишком глубокого разряда батареи на основе . В свою очередь, солнечные элементы также служат в качестве датчика освещенности, что значительно упростило всю схему.

Печатная плата имеет размеры 40мм на 45мм. Кроме того, добавлены два монтажных отверстия. Все устройство питается от трех Ni-MH аккумуляторов (1,2В/1000мАч). Для зарядки используется солнечная батарея с номинальным напряжением 5 вольт и максимальным выходным током до 80 мА. Солнечная батарея заряжает аккумуляторы через выпрямительный диод D1. Схема не имеет защиты от перезаряда батареи из-за того, что в такой конфигурации перезарядка просто невозможна.

Полностью заряженный аккумулятор должен иметь напряжение около 4,2-4,35 В Солнечная батарея вырабатывает напряжение 5В, но происходит падение на выпрямительном диоде в районе 0,7 В, что дает нам напряжение 4,3 В. Транзистор Q1 отвечает за включение освещения в ночное время и отключение его днем. База этого транзистора подключена через резистор 2,2 кОм к положительному полюсу солнечной батареи.

Когда солнечная батарея не вырабатывает электроэнергию, или она слишком маленькая, транзистор Q1 заперт. Тогда ток с вывода («REF») стабилитрона TL431 будет течь только через резистор R4, который создает делитель напряжения вместе с резисторами R2 и R3. Транзистор Q2 управляет нагрузкой в виде светодиодов. Чтобы схема работала правильно, мы не можем игнорировать резистор R5, задачей которого является подтягивание базы транзистора Q2 к плюсу источника питания.

По расчетам для имеющегося напряжения выходит, что резистор должен иметь сопротивление 100 Ом. С таким сопротивлением схема переключается очень быстро. Но проблема состоит в том, что этот резистор имеет достаточно маленькое значение, и через него течет очень большой ток. Общий ток потребления составляет около 23 мА! Я решил этот резистор заменить на резистор большего значения. В итоге я поставил резистор номиналом 1 кОм. Теперь отключение нагрузки не такое быстрое, но ток потребления сократился до 8mA.

Конечно, текущее значения 8 мА потребляется только тогда, когда солнечная батарея находится в темном месте — то есть, только в ночное время, когда горят светодиоды. И это такой же максимальный ток (8 мА), который поступает от батареи при напряжении 4,2 В. Напряжение отключения нагрузки я поставил на 2,9 В. Предельное напряжение для одной ячейки 0,9 В, что при подключении последовательно трех дает нам 2,7 В, и следовательно, у нас есть еще в запасе 0,2 В.

Схема после отключения нагрузки (т.е. при 2,9 В и ниже), потребляет только 50 мкА. Такой же ток будет, когда солнечная батарея заряжает аккумуляторы. Устройство очень отзывчиво на свет, но не на столько, чтобы уличное освещение мешало бы определить сумерки. С момента обнаружения заката до включения светодиодов на 100% проходит примерно 2 мин.

Удалив из системы транзистор Q1, резистор R1 и выпрямительный диод D1 получаем простую схему защиты аккумулятора от глубокого разряда. Подобная схема может использоваться для отключения Li-Ion или Li-Pol аккумулятора от зарядки. Ее можно использовать, например, в фонарике. Существует также возможность создания подобной защиты и на другие напряжения, для этого нужно рассчитать делитель напряжения. Формулы и пример расчета есть

Одним из важнейших компонентов домашней солнечной электростанции является контроллер заряда аккумуляторов. Именно это устройство следит за процессом заряда/разряда аккумуляторов, поддерживая оптимальный режим их работы. Существует множество схем контроллеров для солнечных батарей – от самых простых, выполненных порою кустарным способом, до очень сложных, с применением микропроцессоров. Причем контроллеры заряда для солнечных батарей, сделанные своими руками, частенько работают лучше аналогичных промышленных устройств такого же типа.

Для чего нужны контроллеры заряда аккумуляторов

Если аккумулятор подсоединить напрямую к клеммам солнечных батарей, то заряд его будет происходить непрерывно. В конечном итоге на уже полностью заряженный аккумулятор будет продолжать поступать ток, что вызовет повышение напряжения на несколько вольт. В результате происходит перезаряд АКБ, повышается температура электролита, причем эта температура достигает таких значений, что электролит закипает, происходит резкий выброс паров из банок аккумулятора. Как следствие, может произойти полное испарение электролита и высыхание банок. Естественно, это не добавляет «здоровья» аккумулятору и резко снижает ресурс его работоспособности.

Контроллер в системе солнечного заряда аккумуляторов

Вот, чтобы не допустить подобных явлений, чтобы оптимизировать процессы заряда/разряда, и нужны контроллеры.

Три принципа построения контроллеров заряда

По принципу действия различают три типа солнечных контроллеров.
Первый, самый простой тип – это устройство, выполненное по принципу «On/Off» («Вкл./Выкл.»). Схема такого аппарата представляет собой простейший компаратор, который включает или выключает цепь заряда в зависимости от значения напряжения на клеммах аккумулятора. Это самый простой и дешевый тип контроллеров, но и способ, которым он производит заряд, самый ненадежный. Дело в том, что контроллер отключает цепь заряда по достижении предельного значения напряжения на клеммах аккумуляторной батареи. Но при этом не происходит полного заряда банок. Максимально достигается не более 90% заряда от номинального значения. Вот такой постоянный недобор заряда значительно уменьшает работоспособность аккумулятора и срок его работы.

Вольт-амперная характеристика солнечного модуля

Второй тип контроллеров – это устройства, построенные по принципу ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Это более сложные аппараты, в которых кроме дискретных компонентов схемы имеются уже и элементы микроэлектроники. Аппараты на базе ШИМ (англ. – PWM) осуществляют зарядку аккумуляторов ступенчато, выбирая оптимальные режимы заряда. Эта выборка производится автоматически и зависит от того, как глубоко разряжены АКБ. Контроллер повышает напряжение, одновременно понижая силу тока, обеспечивая тем самым полную зарядку аккумуляторной батареи. Большой недостаток ШИМ-контроллера – заметные потери в режиме зарядки аккумулятора – теряются до 40%.

Третий тип – это контроллеры MPPT , то есть работающие по принципу отыскания точки максимальной мощности солнечного модуля. В процессе работы устройства этого типа используют максимально доступную мощность для любого режима заряда. По сравнению с другими, аппараты этого типа отдают на заряд аккумуляторных батарей примерно на 25% - 30% больше энергии, чем другие аппараты.

Заряд АКБ производится меньшим напряжением, чем это делают контроллеры других типов, но большей силой тока. Коэффициент полезного действия аппаратов MPPT достигает 90% - 95%.

Простейший самодельный контроллер

При самостоятельном изготовлении любого контроллера необходимо обязательно соблюдать определенные условия. Во-первых, максимальное напряжение на входе должно быть равным напряжению АКБ без нагрузки. Во-вторых, должно быть выдержано соотношение: 1,2P

Этот аппарат предназначен для работы в составе солнечной электростанции малой мощности. Принцип работы контроллера предельно прост. Когда напряжение на клеммах аккумуляторов достигнет заданного значения, заряд прекращается. В дальнейшем производится только так называемый капельный заряд.

Контроллер, смонтированный на печатной плате

При падении напряжения ниже установленного уровня подача энергии на аккумуляторы возобновляется. Если при работе на нагрузку в отсутствии заряда напряжение АКБ будет ниже 11 вольт, контроллер отключит нагрузку. Тем самым исключается разряд аккумуляторов в период отсутствия солнца.

Аналоговый контроллер для маломощных гелиевых систем

Аналоговые устройства используются, в основном, в гелиевых системах, имеющих небольшую мощность. В мощных системах целесообразно применять цифровые последовательные аппараты типа MPPT. Эти контроллеры прерывают зарядный ток, когда аккумулятор будет полностью заряжен. В предлагаемой схеме аналогового контролера используется параллельное подключение. При таком подключении солнечный модуль всегда соединен с аккумулятором через специальный диод. Когда напряжение на аккумуляторе достигнет заданного значения, контроллер параллельно солнечному модулю включает цепь нагрузочного сопротивления, которое принимает на себя избыток энергии от модуля.

Это устройство было разработано и собрано под конкретную систему, состоящую из солнечной панели с 36 ячейками, с выходным напряжением холостого хода 18 вольт и с током короткого замыкания до одного ампера. Емкость аккумулятора до 50 ампер-часов, при номинальном напряжении 12 вольт. Перед тем, как включить собранный аппарат в рабочую конфигурацию системы, необходимо произвести его настройку. Для быстрой настройки нужно взять предварительно заряженный аккумулятор. Солнечную батарею с соблюдением полярности нужно подключить к клеммам PV по схеме, а аккумулятор – к клеммам ВАТ. К клеммам аккумулятора необходимо также подключить цифровой вольтметр.

Теперь для получения максимальной отдачи от солнечной батареи, нужно сориентировать ее на солнце. После этого медленно поворачивать винт двадцатиоборотного переменного резистора номиналом в 100 кОм. Вращение винта производится до тех пор, пока светодиод не начнет мигать. После того, как начнется мигание, винт следует продолжать медленно поворачивать до тех пор, пока вольтметр не покажет значение напряжения на клеммах аккумулятора, равное желаемому. На этом настройка устройства завершена.

В процессе эксплуатации системы при достижении напряжением на клеммах аккумулятора предельного значения светодиод начинает выдавать краткие световые импульсы с длительными промежутками. При продолжении заряда аккумулятора длительность световых импульсов увеличивается, а интервал между ними, наоборот, сокращается.

Разумеется, при наличии определенных знаний и навыков можно собрать и более сложное устройство, например, MPPT, но если речь заходит о покупке дорогостоящего оборудования для домашней электростанции, то, вероятно, есть смысл все-таки купить промышленный аппарат, на который распространяется к тому же и гарантия изготовителя. И не подвергать аккумуляторные батареи риску повреждения.

Это автоматически включающаяся схема, которая контролирует зарядку аккумулятора от солнечных панелей и других источников питания. Она основана на интегральных схемах 555 и заряжает батарейку, когда её заряд становится ниже заданного уровня, а затем останавливает зарядку во время того, когда батарейка достигает верхнего лимита по вольтажу.

Шаг 1: Моя цель

«Создать дешевый и эффективный контроллер заряда солнечной батареи»

Шаг 2: Схема

Для сборки контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи своими руками понадобятся:

• Интегральная схема NE555 IC с сокетом IC
• Один транзистор 2N2222 или PN222a
• Три резистора на 1K Ом
• Один резистор на 330 Ом и один на 100 Ом
• Два резистора на 330 Ом 1/5 w (опционально)
• Два потенциометра на 10K
• Два светодиода (зеленый и красный)
• Диод 1N4007
• Реле 5V SPDT
• Два трехпиновых коннектора для макетной платы
• Провода
• Макетная плата
• LM7805 (тип TO-220)
• Два конденсатора(я использую на.1uF, можете использовать любой)
• МОП-транзисторами IRF 540 (MOSFET)

На рисунке вы увидите завершенную схему контроллера. 5V реле — главный компонент схемы, это Ключ (SPDT, Single Pole Double Throw). У него одна обычная клемма и два контакта разных конфигураций. Один — обычно открыт (NO), второй — обычно закрыт (NC).

В нашем случае мы подключаем плюс солнечной панели на полюс реле (обычную клемму) и плюс батарейки на обычно открытый контакт; когда батарейка подключена к контроллеру солнечной зарядки, схема проверяет вольтаж батарейки. Если вольтаж меньше или равен обычному, то ток начинает поступать на батарейку, и она заряжается. Когда вольтаж батарейки начинает превышать верхний предел, реле активируется и ток перенаправляется в обычно закрытый контакт.

Шаг 3: Калибровка

После завершения схемы, нужно настроить нижний и верхний пороги. Калибровка батарейки нужна, чтобы предотвратить чрезмерную разрядку или зарядку. Я использую 12V в качестве нижнего предела и 14.9V в качестве верхнего. Это означает, что когда заряд батареи понижается до 12V, начинается зарядка и когда вольтаж поднимается до 14.9V, реле активируется, и схема перестает заряжать батарейку.

Чтобы настроить лимиты, вам понадобится мультиметр и два источника питания на 12V и 15V, или один универсальный. Сначала нужно установить нижний порог. Для этого установите вольтаж на 12V и подключите его к схеме. Соедините землю с мультиметром и замерьте показатель на пине 2 схемы 555. Настройте вольтаж так, чтобы получить 1.66V. Затем переключите вольтаж на 14.9V и возьмите замер на пине 6 схемы 555. Настройте вольтаж на 3.33V. Теперь контроллер готов к работе.

Шаг 4: Соединение

Приложенная картинка показывает электрическую схему устройства. Сначала соедините плюс от солнечной панели к центральному полюсу реле, затем соедините красный провод от батарейки с NO на реле. Соедините минус от солнечной панели с минусом на схеме, а затем присоедините минус батарейки к схеме.

Шаг 5: Работа

Когда вольтаж батарейки меньше, чем 14.9V, она начинает заряжаться путём передачи тока через NO на реле. Когда вольтаж батарейки достигает 14.9 вольт, реле автоматически переключается на NC.

Шаг 6: Момент истины

Контроллер очень прост и состоит всего из четырех деталей.

Это мощный транзистор (я использую IRFZ44N выдерживает ток до 49Ампер).

Автомобильное реле-регулятор с управлением по плюсу (ВАЗ "классика").

Резистор120кОм.

Диод по мощнее, чтобы держал ток отдаваемый солнечной панелью (к примеру из автомобильного диодного моста).

Принцип работы тоже очень простой. Пишу для совсем не понимающих в электронике людей, так-как сам в ней ничего не понимаю.

Реле регулятор подключается к АКБ, минус на алюминиевую основу (31к), плюс на (15к), с контакта (68к) провод через резистор подсоединяется к затвору транзистора. У транзистора три лапки, первая это затвор, вторая сток, третья исток. Минус солнечной панели подключается к истоку, а плюс к АКБ, со стока транзистора минус солнечной панели идет на АКБ.

Когда реле-регулятор подключен и работает, то плюсовой сигнал с (68к) отпирает затвор и ток с солнечной панели течет через исток-сток в АКБ, а когда напряжение на АКБ превысит 14 вольт, реле-регулятор отключает плюс и затвор транзистора разряжаясь через резистор на минус закрывается тем самым разрывает минусовой контакт солнечной панели, и она отключается. А когда напряжение немного упадет реле-регулятор снова подаст плюс на затвор, транзистор откроется и снова ток от панели потечет в аккумулятор. Диод на плюсовом проводе СБ нужен чтобы ночью аккумулятор не разряжался, так-как без света солнечная панель сама потребляет электроэнергию.

Ниже наглядный рисунок соединения элементов контроллера.

Я не силен в электронике и может в моей схеме есть какие-то недочеты, но она работает без всяких настроек и работает сразу, и делает то что делают заводские контроллеры для солнечных панелей, а себестоимость всего порядка 200 рублей и час работы.

Ниже не совсем понятная фотография этого контроллера, вот так грубо и неряшливо просто на корпусе ящика закреплены все детали контроллера. Транзистор немного греется и я его закрепил на маленький вентилятор. Параллельно резистору поставил маленький светодиод, который показывает работу контроллера. Когда горит СБ подключена, когда нет значит аккумулятор заряжен, а когда быстро мигает аккумулятор почти заряжен и просто подзаряжается.

Этот контроллер работает уже более полугода и за это время никаких проблем, подключил и все, теперь не слежу за АКБ, все само работает. Это мой второй контроллер, первый я собирал для ветрогенераторов как балластный регулятор, о нем смотрите в предыдущих статьях в разделе мои самоделки.

Внимание - контроллер оказывается не полностью рабочий. После некоторого времени работы вяснилось что транзистор в данной схеме не полностью закрывается, и в аккумулятор все равно продалжает течь ток даже при привышении 14 вольт

А сейчас у меня в качестве контроллера балластный регулятор стоит, который отлично работает уже продрлжительное время. Как только напряжение переваливает за 14 вольт транзистор открывается и включает лампочку, которая сжигает все излишки энергии. Одновременно сейчас две солнечные панели и ветрогенератор на этом балласте.