Solar 12V SLA batterioplader: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

For noget tid siden kom jeg i besiddelse af en "citron" af en side-by-side ATV. Det er nok at sige, at der er meget galt med det. På et tidspunkt besluttede jeg, at "HEJ, jeg skulle bare bygge min egen kraftfulde solbatterioplader bare for at holde det billige døde-som-en-dør-søm batteri opladet, mens forlygterne kører!" Til sidst udviklede det sig til ideen om, at "HEJ, jeg burde bruge batteriet til at drive nogle fjerntliggende projekter, jeg har planlagt!"

Således blev "Lead Buddy" solbatteriopladeren født.

I første omgang kiggede jeg på at udlede mit design fra Sparkfun's "Sunny Buddy" (herfra hvor jeg fik navnet), men tilfældigvis opdagede jeg tilfældigt, at en komponent, jeg allerede brugte i et andet projekt, faktisk havde en applikationsnotat om brug som en solbatterioplader (som jeg havde savnet, mens jeg havde læst databladet forud) - Analog Device's LTC4365! Det har ikke MPPT, men hej, det samme gør Sparkfuns "Sunny Buddy" (i hvert fald ikke sandt MPPT alligevel …). Så hvordan løser vi dette præcist? Nå, kære læser, du kigger gennem appnotater !!! Specifikt Microchips AN1521 "Praktisk vejledning til implementering af solpanel MPPT -algoritmer". Det er faktisk en ganske interessant læsning og giver dig flere forskellige metoder til implementering af MPPT -kontrol. Du har kun brug for to sensorer, en spændingssensor (spændingsdeler) og en strømføler, og du har brug for præcis en udgang. Jeg kendte tilfældigt til en speciel strømsensor, der kan bruges med en N-kanal MOSFET, kaldet IR25750 fra International Rectifier. Deres AN-1199 på IR25750 er også interessant læsning. Endelig har vi brug for en mikrokontroller til at koble det hele sammen, og da vi kun har brug for 3 ben, skal du indtaste ATtiny10!

Trin 1: Valg af dele, tegningskemaer

Nu hvor vi har vores 3 primære dele, skal vi begynde at vælge de forskellige andre komponenter, der skal ledsage vores IC'er. Vores næste vigtige komponent er vores MOSFET'er, specifikt til denne revision (se det sidste trin for mere information om det), jeg valgte at bruge TO SQJB60EP Dual N-Channel MOSFET'er. Den ene MOSFET styres udelukkende af LTC4365, og den anden MOSFET er konfigureret, så den ene FET fungerer som en "ideel lavsidesdiode" beregnet til omvendt indgangsbeskyttelse (Hvis du søger efter det i Google, kommer du sandsynligvis ikke med applikationsnoter fra TI og Maxim om emnet, jeg var nødt til at grave efter det.), mens den anden FET styres af ATtiny10s 16-bit PWM-timer (eller hvilken opløsning du vælger …). Dernæst kommer vores passiver, som ærligt talt ikke er så vigtige at liste. De består af modstande til spændingsdelere/opladerprogrammering og forskellige bypass-/lagerkondensatorer, bare sørg for, at dine modstande kan håndtere den effekt, der spredes gennem dem, og at dine kondensatorer har rimelige temperaturtolerancer (X5R eller bedre). Det er vigtigt at bemærke, at på grund af hvordan dette er designet, SKAL der sættes et batteri på kortet for at det kan fungere.

Jeg har konfigureret LTC4365 til at kunne oplade enten 12 eller 24V batterier ved at skifte en jumper (for at give OV -stiften på opladeren 0,5V, når batteriet oplades til omkring 2,387V/celle for 12V batterier). Opladerspændingsdeleren er også temperaturkompenseret gennem en 5k PTC -modstand, der tilsluttes brættet via en 2,54 mm header og vil forbinde til siden af batteriet med enten termisk ledende pottemasse eller endda tape. Vi er også nødt til at bruge et par zenere i hele designet, nemlig til at køre den modsatte spænding MOSFET (samt levere strøm til den anden FET, hvis du ikke installerer MPPT -komponenterne via en jumperpude) og til beskyttelse af LTC4365's stifter fra overspænding. Vi driver ATtiny10 med en 5V bilregulator, der er klassificeret til 40V input.

Sikringer…

En vigtig ting at bemærke er, at du ALTID skal have sikringer på dine indgange og udgange, når det kommer til batteriopladere, og at du ALTID skal bruge OV-beskyttelse på højstrømindgange (IE-batteri). Lave strømindgange kan ikke let implementeres OVP (IE-kobbelkredsløb), da de ofte ikke kan producere nok strøm til at udløse en afbryder/sikring. Dette kan føre til en dødelig situation, hvor din TRIAC/SCR vil begynde at overophedes, muligvis mislykkes, hvilket kan få enten dine komponenter ned ad linjen til at blive beskadiget eller få dit projekt til at eksplodere i flammer. Du skal være i stand til at levere nok strøm til faktisk at blæse sikringen rettidigt (hvilket vores 12V batteri KAN gøre). Hvad angår sikringer, besluttede jeg at gå med 0453003. MR fra Littlefuse. Det er en fantastisk sikring i en meget lille SMD -pakke. Hvis du beslutter dig for at gå med større sikringer, f.eks. 5x20mm sikringer, VENLIGST FOR KÆRLIGHEDEN TIL HVAD HØJERE DU BEDER TIL ….. Brug ikke glas sikringer. Glassikringer kan gå i stykker, når de blæser, og sender stykker varmt smeltet metal og skarpt glas ud over hele dit bræt, der gør alle slags skader i processen. Brug ALTID keramiske sikringer, de fleste af dem er fyldt med sand, så når de blæser, steger de ikke dit bræt eller dit hus (for ikke at nævne, at selve keramikken også skal hjælpe med beskyttelse, svarende til den keramiske rustning, der bruges for at beskytte moderne kampkøretøjer mod formede ladningsspidshoveder/ VIRKELIGE HOT JETS OF PLASMA). At kunne "se" den lille ledning i din sikring (det kan du måske alligevel ikke se, især hvis du er næsten blind), er ikke værd at have en ulmende bunke kul, hvor dit hus plejede at være. Hvis du har brug for at teste din sikring, skal du bruge et multimeter til at kontrollere dens modstand.

ESD -beskyttelse

For længst er de dage, hvor vi udelukkende stolede på dyre $ 5-10 varistorer for at beskytte vores elektroniske projekter. Du bør ALTID smide nogle tv'er eller Transient Voltage Supression -dioder ind. Det er der bogstaveligt talt ingen grund til ikke at gøre. Enhver indgang, især et solpanelindgang, bør beskyttes mod ESD. I tilfælde af et lynnedslag i nærheden af dine solpaneler/enhver trådstrækning kan den lille TVS-diode kombineret med en sikring forhindre dit projekt i at blive beskadiget af enhver form for ESD/EMP (hvilket er et lyn strejke er sådan set ….). De er ikke nær så holdbare som MOV'er, men de kan bestemt få arbejdet gjort det meste af tiden.

Hvilket bringer os til vores næste emne, gnistgab. "Hvad er gnistgab?!?" Nå, gnistgab er i det væsentlige kun et spor, der strækker sig ud i et jordplan fra en af dine inputstifter, der har loddemasken fjernet fra den og det lokale jordplan og udsættes for det fri. Enkelt sagt giver det ESD mulighed for at bue over lige ind i dit jordplan (den mindste modstands vej), og forhåbentlig vil det skåne dit kredsløb. De koster absolut intet at tilføje, så du bør altid tilføje dem, hvor du kan. Du kan beregne den afstand, du har brug for mellem dit spor og jordplanet for at beskytte for en vis spænding gennem Paschens lov. Jeg vil ikke diskutere, hvordan man beregner det, men det er tilstrækkeligt at sige, at en generel viden om beregning tilrådes. Ellers skulle du være OK med en 6-10mil plads mellem sporet og jorden. Det er også tilrådeligt at bruge et afrundet spor. Se det billede, jeg postede, for en idé om, hvordan man implementerer det.

Jordfly

Der er ingen grund til ikke at bruge en stor jordhældning i de fleste elektronikprojekter. Desuden er det ekstremt spildende ikke at bruge malet hældning, da alt det kobber skal ætses af. Du betaler allerede for kobberet, du kan lige så godt lade det ikke forurene Kinas vandveje (eller hvor som helst) og bruge det som dit jordplan. Udklækkede hældninger har meget begrænsede anvendelser inden for moderne elektronik og bruges sjældent, hvis de nogensinde bruges mere i den henseende, da hældninger af fast grund angiveligt har bedre kvaliteter til højfrekvente signaler, for ikke at nævne, at de er bedre til at afskærme følsomme spor OG kan give en vis bypass kapacitans med et "live" plan, hvis du bruger et flerlags bord. Det er også vigtigt at bemærke, at hvis du bruger en tilbagestrømningsovn eller en varmluftsbehandlingsstation, frarådes faste jordplanforbindelser til passive komponenter, da de kan "gravsten" ved tilbagespoling, da jordplanet har mere termisk masse der skal opvarmes, for at loddetøjet kan smelte. Du kan helt sikkert gøre det, hvis du er forsigtig, men du bør bruge termiske aflastningspuder, eller hvad EasyEDA kalder "Eger" for at forbinde din passive komponents jordpude til. Mit bord bruger termiske aflastningspuder, selvom jeg lodder i hånden, så er det virkelig ligegyldigt.

Ved varmeafledning …

Vores soloplader bør ikke aflede for meget varme, selv ved den maksimalt designede strøm på 3A (afhængig af sikringen). I værste fald er vores SQJB60EP's modstand 0.016mOhm ved 4.5V ved 8A (SQJ974EP i min anden revision, ved 0.0325mOhm, se mine noter til sidst for mere info). Ved hjælp af Ohms Law, P = I^2 * R, er vores strømafbrydelse 0,144W ved 3A (Nu kan du se, hvorfor jeg har brugt N -kanal MOSFET'er til vores MPPT- og reversspændings "diode" kredsløb). Vores bil 5V -regulator bør heller ikke forsvinde for meget, da vi højst tegner et par dusin milliampere. Med et 12V eller endda et 24V batteri bør vi ikke se nok strømtab på regulatoren til virkelig at skulle bekymre sig om, at den synker, men ifølge TI's fremragende applikationsnotat om problemet vil det meste af din strøm blive spredt som varme føre tilbage til selve printkortet, da det er vejen til mindst modstand. Som et eksempel har vores SQJB60EP en termisk modstand på 3.1C/W mod afløbspuden, mens plastemballagen har en termisk modstand på 85C/W. Varmesænkning er meget mere effektiv, når det gøres gennem selve printkortet, IE- udlægning af flotte store fly til dine komponenter, der spreder masser af varme (derved gør dit printkort til en hovedspreder) eller leder vias til den modsatte side af brættet fra en mindre plan på toppen for at give mulighed for mere kompakte designs. (Routing termiske vias til et plan på den modsatte side af brættet gør det også muligt let at fastgøre en køleplade/snegl til bagsiden af brættet, eller få den varme til at spredes gennem jordplanet på et andet bræt, når det fastgøres som en modul.) En hurtig og beskidt måde kan du beregne, hvor meget strøm du sikkert kan aflede fra en komponent (Tj - Tamb) / Rθja = Strøm. For mere information, opfordrer jeg dig stærkt til at læse TIs appnotat.

Og endelig…

Hvis du vil have dit projekt inde i en beholder, som jeg planlægger at gøre, da det naturligvis vil blive brugt udenfor, skal du altid vælge din beholder/kasse, før du lægger brættet ud. I mit tilfælde valgte jeg Polycase's EX-51, og har designet mit bord som sådan. Jeg har også designet et "frontpanel" -kort, som kan tilsluttes solindgangens kastellerede "huller" eller mere præcist slots (der passer til et 1,6 mm tykt bord). Lod dem sammen, og du er god til at gå. Dette panel har vandtætte stik fra Switchcraft. Jeg har endnu ikke besluttet, om jeg vil bruge et "frontpanel" eller et "bagpanel" endnu, men uanset hvad skal jeg også bruge en "vandtæt kabelforskruning" til enten input eller output samt til vores batteritermistor. Derudover kan min oplader også installeres på et bræt som et modul (derfor de kastellerede huller).

Trin 2: Få dine dele

At bestille dine dele kan være en ulidelig opgave i betragtning af hvor mange leverandører der er, og i betragtning af at små dele vil gå tabt fra tid til anden (dvs. modstande, kondensatorer). Faktisk mistede jeg modstandene til 24V batteriopladningskredsløbet. Heldigvis bruger jeg ikke 24V opladningskredsløbet.

Jeg valgte at bestille mit printkort fra JLCPCB, fordi det er snavs billigt. De har også tilsyneladende skiftet til en "fotobillede-stand" -proces, som efterlader flotte sprøde silketryk (og loddemaske), siden jeg sidst bestilte fra dem. Desværre giver de ikke længere gratis forsendelse, så du skal enten vente en eller to uger for at få den, eller du skal betale $ 20+ for at den kan sendes via DHL…. Hvad angår mine komponenter, gik jeg med Arrow, da de har gratis forsendelse. Jeg måtte kun købe termistoren ud af Digikey, da Arrow ikke havde det.

Typisk er 0603 størrelse passiver A-OK til lodning. Komponenter i størrelsen 0402 kan være vanskelige og går let tabt, så bestil mindst det dobbelte af det, du har brug for. Kontroller altid, om de har sendt dig alle dine komponenter. Dette er især vigtigt, hvis de ikke konsoliderer din ordre og i stedet sender dig 20 forskellige kasser gennem FedEx.

Trin 3: Gør dig klar …

Gør dig klar til lodning …. Du behøver virkelig ikke så mange værktøjer til lodning. Et billigt, moderat drevet loddejern, flux, loddemetal, pincet og snips er omtrent alt hvad du behøver. Du SKAL også have en ildslukker klar, og du skal ALTID have en maske klar til at filtrere luftforurenende stoffer, der er afskrækket af fluxen, som er kræft/giftig.

Trin 4: Sæt det sammen

Det er virkelig enkelt at samle dit printkort. Det er stort set bare "tin en pude, lod en nål til den fane, derefter 'træk lodde' resten af stifterne". Du behøver ikke et mikroskop eller en fancy omarbejdningsstation til lodning af SMD -komponenter. Du behøver ikke engang et forstørrelsesglas til noget større end og 0603 (og nogle gange 0402) komponenter. Bare sørg for, at der ikke er nogen brostifter, og at du ikke har kolde samlinger. Hvis du ser noget "sjovt", skal du lægge en smule flux på det og slå det med jernet.

Hvad angår flux, bør du sandsynligvis bruge ikke-ren flux, da det er sikkert at efterlade det på dit bord. Desværre er det en smerte at rent faktisk rense det af dit bræt. For at rense 'ikke-ren' flux skal du fjerne så meget af de store ting som muligt med en gnidningsalkohol af høj kvalitet, over 90% koncentration og en vatpind. Børst den derefter godt med en gammel tandbørste (gamle elektriske tandbørster/tandbørstehoveder fungerer smukt). Til sidst opvarmes noget destilleret vand til et varmt vandbad. Du kan bruge noget opvaskemiddel, hvis du vil (bare sørg for, at det ikke royalt ødelægger dit bræt, det bør ikke beskadige eventuelle tilslutninger på dit printkort, da opvaskemidler er designet til at "vedhæfte" til organiske komponenter gennem det hydrofobe sæbe. Den hydrofobe-hydrofile virkning tilvejebringes af den polære/upolære kulbrinte/alkalistruktur af dens molekyler og kan vaskes af via den hydrofile komponent. Virkelig er det eneste problem, når den ikke skylles ordentligt med destilleret vand, eller hvis det er ekstremt ætsende). IFF ved et mirakel får du faktisk fjernet al den ikke-rene flux med alkohol, og du vil sandsynligvis ikke, du kan springe over at vaske dit bræt sammen.

Efter cirka 30 minutter skulle det varme vand bryde resten af den klæbrige rest på dit bræt op, så kan du gå til byen med din tandbørste og få resten af det. Skyl godt, og lad det tørre i en brødristerovn, der er indstillet til den laveste indstilling, eller lad det tørre mindst 24 timer i det fri. Ideelt set bør du bruge enten en brødristerovn eller en billig varmluftspistol fra Harbor Freight, der er holdt langt nok væk til ikke at stege noget. Du kan også bruge trykluft med samme effekt.

Som en sidebemærkning skal du være forsigtig, når du børster dine PCB'er, da du kan sprøjte komponenter løs. Du behøver ikke at trykke meget hårdt ned, bare nok til at få børsterne mellem komponenterne.

Trin 5: Solpaneler …