|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Регулятор заряду акумуляторів для сонячних елементів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії Електроживлення різних пристроїв можливе безпосередньо від сонячних елементів. Однак таке просте підключення сонячних елементів можливе лише за умови, якщо відсутність сонячного освітлення та, отже, живлення практично не призводить до небажаних наслідків. У багатьох випадках необхідно, щоб електроприлади та обладнання працювали і за відсутності сонячного світла. Для цього слід накопичити в акумуляторах сонячну енергію, що виробляється протягом дня, для подальшого використання. Найбільш прийнятними для цього є свинцево-кислотні акумуляторні батареї. Свинцево-кислотні акумуляторні батареї Свинцево-кислотні акумуляторні батареї фактично складаються з декількох окремих елементів, послідовно з'єднаних. Кожен елемент, що розвиває напругу до 2, містить дві свинцеві пластини, поміщені в слабкий розчин сірчаної кислоти. При протіканні електричного струму через елемент відбувається оборотна електрохімічна реакція і в елементі запасається електрична енергія, яку при необхідності можна згодом використовувати. Незважаючи на простоту, насправді процес зарядки акумуляторної батареї досить складний. Батарея свинцево-кислотних акумуляторів є чутливим електричним пристроєм, що потребує дбайливого відношення, особливо заряджання. На підтвердження цього простежимо за різними стадіями типового зарядного циклу. Заряд акумулятора починається при додатку напруги до пластин елемента, в результаті чого через нього починає протікати електричний струм. Він призводить до виникнення електрохімічної реакції, що змінює хімічний склад пластин та електроліту акумуляторного елемента. Швидкість цієї реакції залежить від величини зарядного струму. Чим більший струм, тим швидше протікає реакція. Зрештою, саме заряд, пов'язаний з цим струмом, запасається в елементі для подальшого використання. Акумуляторна батарея накопичує все більший заряд, і зрештою настає насичення. По суті, хімічна реакція стабілізується або врівноважується, і подальше накопичення заряду припиняється. Рівновага настає, коли більшість сульфатних іонів, які були поглинені з розчину сірчаної кислоти свинцевими пластинами під час циклу розряду батареї, повертається із пластин у розчин. При цьому пластини знову набувають металевих властивостей і починають поводитися, як електроди, поміщені у водний розчин (прекрасне середовище для електролізу). Зарядний струм починає розкладати воду в електроліті на елементарні складові (водень та кисень). Цей процес можна помітити, навіть не знаючи про його існування, спостерігаючи так зване кипіння батареї. Термін цей помилково використовують через зовнішню схожість пробулькування бульбашок газу при електролізі з кипінням. Правильніше цей ефект називати газовиділенням. Газовиділення починається, коли в батареї запасено близько 70-80% повного заряду. Якби батарея заряджалася з колишньою швидкістю, газовиділення призвело б до пошкодження акумуляторних елементів. Однак швидкість електролізу, що викликає газовиділення, пропорційна струму, що протікає через елемент. Чим менший струм, тим повільніше розкладається вода і слабше виділення газу. Можна істотно зменшити руйнівні наслідки виділення газу, знизивши зарядний струм у разі ознак газовиділення. Хоча воно повністю припиняється тільки без струму, величину зарядного струму можна знизити до такого рівня, щоб не погіршити якість батареї при накопиченні заряду. На останньому етапі заряду акумулятор заряджають струмом, величина якого зазвичай становить невелику частину початкового зарядового струму. Цим струмом повільно заряджають батарею і тим самим запобігають інтенсивному виділенню газу. Після повного заряду акумулятора її можна вимкнути від джерела живлення. Через наявність домішок в електроліті та зміни хімічного складу пластин в акумуляторних елементах виникають внутрішні струми, що зменшують з часом накопичений заряд. Зрештою акумуляторна батарея саморозрядиться. Регулятори заряду акумуляторних батарей Очевидно, що струм, необхідний заряду акумуляторної батареї, залежить від ступеня зарядженості акумуляторних елементів. Звідси випливає необхідність створення регулятора заряду, що оцінює стан розрядженості батареї і залежно від нього зарядного струму. Відомі три способи заряду свинцево-кислотних акумуляторів. При заряді від сонячних елементів найбільш придатний спосіб із двоступінчастим зарядним циклом (рис. 1).
Перш за все припустимо, що акумулятор повністю розряджений. Почнемо пропускати струм через елементи. Оскільки зарядний цикл акумулятора повинен відповідати періоду генерації сонячними елементами корисної електричної потужності, бажано, щоб заряд батареї відбувався за якнайкоротший час. Оптимальним режимом заряду буде такий, коли виділення газу почнеться приблизно через 4 год після початку заряду батареї. Цей час відповідає найбільшій інтенсивності сонячного випромінювання у світлий час доби, зазвичай в інтервалі 10-14 год. Незалежно від сезонних змін та погодних умов саме в цей час можна досягти максимальної віддачі від сонячних елементів. Цьому часу заряду чисельно відповідає зарядний струм величиною 20 А на кожні 100 А-год ємності батареї, якщо сонячні елементи дозволяють отримувати такий струм. Наприклад, батарея ємністю 75 А-год повинна заряджатися струмом 15 А. Після 4-годинного заряду при фіксованій швидкості до початку газовиділення батареї буде запасено 80% повного заряду. На наступному етапі необхідно знизити зарядний струм до нижчого рівня. Розмір цього струму зазвичай становить 2-5% ємності батареї. Для взятої як приклад батареї ємністю 75 А-год зарядний струм на кінцевому етапі заряду може становити 1,5-3,75 А. Залежно від вибраного струму потрібно ще 4-10 год для остаточного заряду акумулятора. При такій швидкості для повного заряду батареї потрібно більше доби. Однак у досконалих енергетичних пристроях акумуляторні батареї зазвичай перебувають у повністю зарядженому стані більшу частину експлуатації, які повна розрядка зустрічається вкрай рідко. Резервний (компенсаційний) підзаряд акумуляторних батарей Після остаточного заряду акумулятора рекомендується додатково подати на неї струм резервного (компенсаційного) підзаряду. Розмір цього струму зазвичай становить 1-2% повної ємності акумуляторної батареї. Цей додатковий третій етап заряду акумулятора ускладнює конструкцію регулятора заряду. Вийти з положення можна, об'єднавши другий і третій етапи заряду, використовуючи як кінцевий струм або резервний підзарядний струм один і той же струм, значення якого становить 2% від ємності батареї. В результаті спрощується конструкція регулятора та підвищується його надійність. Конструювання регулятора Для нормальної роботи регулятора заряду, що задовольняє переліченим вище вимогам до зарядного струму, необхідно мати відомості про рівень зарядженості акумулятора в будь-який момент часу. На щастя, сама батарея дає ключ до вирішення цієї проблеми: є надійно встановлене співвідношення між кількістю заряду в батареї і напругою на ній. Як видно із рис. 2, це ставлення майже завжди лінійне.
Заряд, що цікавить нас, лежить в межах 70-80% від повного заряду батареї. Саме при досягненні такого ступеня зарядженості починається газовиділення і необхідно змінити зарядний струм. Для 12-вольтової батареї в цій точці напруга становить 12,6 В. Повністю заряджена батарея розвиває напругу 13,2 Ст. Визначаючи напругу на батареї, можна регулювати зарядний струм. Якщо напруга нижче 12,6, то акумуляторні елементи містять менше 80% заряду і регулятор видає повний зарядний струм. Коли ж напруга на батареї піднімається вище 12,6 В, необхідно знизити зарядний струм до рівня живлення. За напругою на батареї стежить спеціальний пристрій (компаратор), який є не що інше, як звичайний підсилювач з дуже великим коефіцієнтом посилення. Дійсно, компаратор, включений до схеми, представленої на рис. 3 можна використовувати як операційний підсилювач.
Компаратор порівнює дві напруги - вимірюване та опорне, що подається на його входи. На інвертуючий вхід компаратора (-) подається опорна напруга зі стабілітрона D2. Цією напругою задається рівень спрацьовування пристрою. Напруга батареї ділиться резисторами R1 і R2 так, щоб воно приблизно дорівнювало напрузі стабілізації діода D2. Напруга, поділена резисторами, подається на не-інвертуючий вхід (+) компаратора з двигуна потенціометра точного налаштування порога перемикання. Якщо напруга акумуляторної батареї зменшиться настільки, що сигнал на вході, що не інвертує, опуститься нижче межі, що визначається діодом D2, на виході компаратора встановиться негативна напруга. Якщо напруга батареї піднімається вище опорного, на виході компаратора встановиться позитивна напруга. Перемикає знак напруги на виході компаратора і забезпечуватиме необхідне регулювання зарядного струму. Принцип роботи регулятора заряду Зарядний струм регулюється електромагнітним реле. Реле керується через транзистор QI вихідною напругою компаратора. Негативна напруга на виході компаратора означає, що акумулятор розряджений і потрібен повний зарядний струм (транзистор Q1 закритий). Отже, колекторний струм дорівнює нулю та реле вимкнено. Нормально замкнуті контакти реле шунтують струмообмежувальний резистор Rs. Коли реле вимкнено, резистор виключено з ланцюга і повний струм від сонячних елементів надходить на акумулятор. Зі збільшенням ступеня зарядженості зростає напруга на акумуляторній батареї. Виділення газу починається, коли напруга досягне 12,6 В. Компаратор, налаштований цей рівень, перемикається (на виході компаратора - плюс). Транзистор відкривається і колекторний струм включає реле. Контакти реле, що шунтували резистор Rs, розмикаються.
Тепер зарядний струм від сонячних елементів повинен подолати опір резистора, що обмежує. Номінал цього резистора вибирається таким, щоб величина зарядного струму становила 2% ємності батареї. У таблиці на рис. 4 представлені значення Rs залежно від ємності акумулятора. Поблизу напруги перемикання компаратора є певна невизначеність. Нехай, наприклад, напруга на батареї піднялася до 12,6, перевищивши поріг спрацьовування. У звичайних умовах зміниться вихідна напруга компаратора, спрацює реле і зменшиться зарядний струм. Однак вихідна напруга акумуляторної батареї залежить не тільки від ступеня зарядженості, але і від інших факторів, і тому не так вже й рідко спостерігається невелике зниження напруги після вимкнення великого зарядного струму. Цілком ймовірно, наприклад, зниження напруги на кілька сотих часток вольта (до 12,55 В). Як у цьому випадку працюватиме схема? Очевидно, що компаратор перейде назад і відновиться режим великого зарядного струму. Оскільки напруга на акумуляторній батареї дуже близько до 12,6, то різке зростання струму безсумнівно викличе стрибок напруги до рівня, що перевищує 12,6 В. В результаті реле знову вимкнеться. У умовах відбуватиметься перемикання компаратора туди й назад поблизу напруги спрацьовування. Для виключення цього небажаного ефекту, званого " нишпоренням", в підсилювач вводиться невеликий позитивний зворотний зв'язок за допомогою резистора, що створює гістерезисну зону нечутливості. За наявності гістерези для спрацювання компаратора потрібна більша зміна напруги, ніж раніше. Як і раніше, компаратор перемикається при 12,6 В, але для його повернення у вихідний стан напруга на акумуляторній батареї повинна знизитися до 12,5 В. Тим самим коливальний ефект виключається. Послідовне включення діода D1 у зарядний ланцюг оберігає акумуляторну батарею or розряду через сонячні елементи у темний час доби (вночі). Цей діод також запобігає споживанню енергії регулятором заряду від акумуляторної батареї. Регулятор повністю живиться від сонячних елементів. Індикаторний пристрій У регулятор заряду введено індикаторний пристрій, призначений для відображення режиму роботи регулятора у будь-який час. Хоча індикатор не є необхідною частиною пристрою (регулятор працюватиме і без нього), проте його наявність підвищує зручність роботи з регулятором. Індикаторний пристрій (рис. 3) складається з двох компараторів та двох світловипромінюючих діодів (ЦД). Інвертуючий вхід одного компаратора та неінвертуючий - іншого з'єднані зі стабілітроном, що виробляє опорну напругу. Інші входи компараторів з'єднані з виходом компаратора, що управляє зарядним струмом. Верхній компаратор спрацьовує та включає світлодіод СД1, коли регулятор працює в режимі великого зарядного струму. Якщо регулятор перемикається в режим живлення, верхній компаратор вимикається, а нижній спрацьовує і включає світлодіод СД2. Конструкція регулятора заряду Регулятор заряду монтується на друкованій платі (рис. 5), розміщення компонентів схеми, на якій показано на рис. 6. Особливу увагу слід звернути на розміщення напівпровідникових елементів (щоб уникнути помилкового підключення висновків). Закінчена схема розміщується в будь-якому (бажано водонепроникному) корпусі. Для цього цілком підійде невелика пластмасова коробочка. Якщо корпус непрозорий, для індикації режимів роботи слід просвердлити в кришці отвір для світлодіодів. Необхідно зробити отвір збоку корпусу для виведення з'єднувальних провідників.
Потужні регулятори Описаний регулятор може керувати зарядним струмом близько 5 А. Його величина обмежується властивостями контактора електромагнітного реле, що використовується. Контакти реле розраховані струм до 3 А, і цілком природним є питання, чому рекомендовано використовувати їх до 5 А. Цьому можна дати таке пояснення. Коли контакти розмикають ланцюг, з-поміж них зазвичай виникає невелика електрична дуга. Дуга призводить до явищ, аналогічних до електрозварювання, і на поверхні контактів з'являються виїмки. Чим більший струм, тим сильніший вплив електричної дуги. Для запобігання подібному процесу у схемі описуваного регулятора контакти реле зашунтовані невеликим опором. Тому значна частина енергії поглинається резистором, а чи не розсіюється в електричної дузі. Таким чином, контакти, не руйнуючись, можуть регулювати струми, що перевищують номінальний. Якщо потрібно збільшити струм, що регулюється, у схемі необхідно використовувати більш потужне реле, що включається контактами слаботочного реле, як це показано на рис. 7.
Для встановлення другого реле в рисунок друкованої плати необхідно внести відповідні зміни. Почніть зі зняття перемичок, що йдуть до контактів реле. Тим самим контакти відключаються від струмообмежувального резистора. Тепер використовуйте ці контакти для керування потужнішим реле. Необхідно також замінити діод D1 та струмообмежувальний резистор Rs на діод та резистор, що витримують великі струми. Розумніше розмістити обидва ці елементи поза платою поруч із реле, оскільки вони розсіюють більше тепла, ніж колишні елементи схеми. Акумуляторну батарею та сонячні елементи з'єднайте безпосередньо з потужним реле за допомогою товстих провідників, а за допомогою тонких провідників подайте живлення на схему регулятора з позитивного виведення сонячних елементів. Маломощний регулятор Можливий такий випадок, коли електричної енергії невеликої сонячної батареї не вистачить навіть для живлення реле. Тоді реле можна легко замінити транзистором. З цією метою можна прибрати реле RL1 і керуючий ним транзистор Q1 і підключити до резистори Rs pnp-транзистор, а його базу - до резистори R5. На рис. 8 наведено електричну схему після повної модифікації.
Коли напруга на виході компаратора позитивна, транзистор увімкнений і повний зарядний струм тече до батареї. Коли регулятор перемикається в режим заряду живлення, напруга на виході компаратора стає негативною, транзистор замикається і зарядний струм тепер тече тільки через резистор Ra в обхід транзистора. Перевага даної схеми перед релейною в тому, що її робота не обмежується напругою 12 В. Пристрій може регулювати зарядку батарей, розрахованих на напруги 3-30 В. Звичайно, необхідно змінити номінали резисторів і R2 і тип діода D2, щоб зблизити значення напруги, що падає на потенціометрі VR1 та опорного на стабілітроні. Струм обмежується значенням близько 250 мА. Радіатором, що дозволяє відвести надлишкове тепло від транзистора, що використовується, служить сама друкована плата. Тепловідвідний майданчик формується зі зворотного боку плати і не вимагає жодної ізоляції. калібрування Для підключення регулятора необхідно зробити лише чотири з'єднання. Два - до позитивного та негативного висновків сонячної батареї та два відповідно до позитивного та негативного затискачів акумуляторної батареї. Після встановлення регулятора в зарядний пристрій необхідно відкалібрувати схему і, зокрема, відрегулювати її чутливість до зміни напруги так, щоб струм перемикався в потрібний момент. Для цього спочатку нехай батарея злегка розрядиться. Потім двигун потенціометра VR1 повертається за годинниковою стрілкою до упору (за схемою у верхнє положення). При цьому контакти реле замкнуться. Напруга на батареї в міру підзаряду контролюється за допомогою вольтметра. Коли воно досягне 12,6 В, двигун потенціометра VR1 обертається у зворотний бік до тих пір, поки не вимкнеться реле. Це буде відповідати заряду, що "підживлює". На жаль, зарядна напруга батареї залежить від її температури. Чим холодніша батарея, тим більша напруга потрібна для заряду. Тим самим змінюється гранична напруга, при якій повинен спрацьовувати регулятор. Графік на рис. 9 показує залежність напруги спрацьовування температури.
Помилка в установці напруги спрацьовування можна в принципі знехтувати. Якщо температура батареї під час заряду буде відносно стабільною та позитивною, що можна забезпечити тим чи іншим способом, наприклад, добре покривши її, то невеликі температурні зміни практично не вплинуть на роботу регулятора.
Автор: Байєрс Т.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Підсолоджені напої викликають ожиріння та знос зубів ▪ Відтворена вулканічна блискавка ▪ Водневий електровелосипед YouOn
▪ розділ сайту Побутові електроприлади. Добірка статей ▪ стаття Вігвам для курчат. Поради домашньому майстру ▪ стаття На що здатні наші кістки? Детальна відповідь ▪ стаття Загальні поняття про внутрішню мотивацію ▪ стаття Прилад для налаштування антен. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page