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无线电电子与电气工程百科全书 太阳能电池的电池充电调节器。 无线电电子电气工程百科全书
各种设备的电源可以直接由太阳能电池提供。 然而，这种简单的太阳能电池连接只有在没有阳光的情况下才可能实现，因此供电实际上不会导致不良后果。 在许多情况下，电器和设备即使在没有阳光的情况下也有必要工作。 为此，您需要将白天产生的太阳能存储在电池中以供以后使用。 最适合这些用途的是铅酸电池。 铅酸电池 铅酸电池实际上是由多个单独的电池串联而成。 每个元件可产生高达 2 V 的电压，包含两块置于稀硫酸溶液中的铅板。 当电流流过电池时，会发生可逆的电化学反应，电能被储存在电池中，以供以后使用。 尽管表面上很简单，但实际上，电池充电的过程相当复杂。 铅酸电池是一种敏感的电气设备，必须小心处理，尤其是在充电时。 为了支持这一点，让我们跟踪一下典型充电周期的各个阶段。 当电压施加到电池板上时，电池开始充电，电流开始流过电池板。 它导致电化学反应的发生，改变电池极板和电解质的化学成分。 该反应的速率取决于充电电流的大小。 电流越大，反应进行得越快。 最终，与该电流相关的电荷被存储在电池中以供以后使用。 电池积累越来越多的电荷，最终出现饱和。 本质上，化学反应稳定或平衡，并且进一步的电荷积累停止。 当电池放电循环期间铅板从硫酸溶液中吸收的大部分硫酸根离子从极板返回到溶液中时，就会发生平衡。 在这种情况下，板再次获得金属特性，并开始表现得像放置在水溶液（一种极好的电解介质）中的电极。 充电电流开始将电解液中的水分解成元素成分（氢和氧）。 通过观察所谓的电池“沸腾”，甚至在不知道其存在的情况下也可以注意到该过程。 由于电解过程中气泡的冒泡与沸腾的外部相似性，该术语被错误地使用。 将这种效应称为气体演化更为正确。 当电池充满电的 70-80% 左右时，就会开始放气。 如果电池以相同的速率充电，则气体会损坏电池。 然而，引起排气的电解速率与流过电池的电流成正比。 电流越低，水分解越慢，气体逸出越弱。 当出现排气迹象时，您可以通过降低充电电流来显着减少排气的破坏性影响。 虽然只有在没有电流的情况下才会完全停止，但充电电流量可以减少到在累积电荷时电池的质量不会下降的水平。 在充电的最后阶段，电池被充电，该电流的值通常是初始充电电流的一小部分。 该电流缓慢地为电池充电，从而防止剧烈的气体逸出。 电池充满电后，即可断开电源。 由于电解液中存在杂质以及极板化学成分的变化，电池单元中会产生内部电流，随着时间的推移，累积电荷会减少。 最终电池会自放电。 电池充电稳压器 显然，电池充电所需的电流取决于电池单元的充电状态。 这意味着需要创建一个充电调节器来评估电池的放电状态，并根据它来控制充电电流。 铅酸电池的充电方式有1种。 当使用太阳能电池充电时，最合适的方法是采用两阶段充电周期（图 XNUMX）。
首先，我们假设电池已完全放电。 让我们开始让电流通过元件。 由于电池的充电周期必须对应于太阳能电池产生有用电力的周期，因此希望电池在尽可能短的时间内充电。 最佳充电模式是在电池开始充电后大约 4 小时开始放出气体。 这个时间对应的是白天太阳辐射的最高强度，通常在10-14小时范围内，无论季节变化和天气状况如何，一天中的这个时间太阳能电池可以实现最大的回报。 该充电时间在数字上对应于每 20 Ah 电池容量 100 A 的充电电流，当然，如果太阳能电池允许接收这样的电流的话。 例如75Ah的电池应该用15A充电。 以固定速率充电 4 小时后，电池在开始放气之前将充满 80% 的电量。 下一步是将充电电流降低到较低水平。 该电流值通常为电池容量的2-5%。 以容量为75Ah的电池为例，充电末期的充电电流可以为1,5-3,75A。根据所选电流的不同，最终充电还需要4-10小时。电池。 按照这个速度，电池充满电需要一天多的时间。 然而，在先进的功率器件中，电池在大部分工作时间通常都处于充满电状态，完全放电的情况极为罕见。 备用（补偿）电池充电 电池最后一次充电后，建议额外施加储备（补偿）充电电流。 该电流值通常为电池总容量的1-2%。 电池充电的额外第三阶段使充电调节器的设计变得复杂。 您可以通过结合第二和第三充电阶段来摆脱这种情况，使用与最终电流或备用充电电流相同的电流，其值为电池容量的2%。 因此，调节器的设计得到简化，可靠性得到提高。 稳压器设计 为了使充电调节器正常工作，满足上面列出的充电电流要求，需要随时了解电池的充电状态。 幸运的是，电池本身提供了解决这个问题的关键：电池中存储的电量和电池两端的电压之间存在良好的关系。 从图中可以看出。 2、这种关系几乎总是线性的。
我们感兴趣的充电区域位于电池充满电的 70-80% 范围内。 当达到这个充电程度时，气体开始逸出，并且有必要改变充电电流。 对于 12 伏电池，此时的电压为 12,6 V。充满电的电池电压为 13,2 V。 通过确定电池上的电压，您可以调整充电电流。 如果电压低于 12,6 V，则电池电量不足 80%，稳压器会提供满充电电流。 当电池上的电压升至12,6V以上时，需要将充电电流降低至充电电流水平。 电池电压由一个特殊装置（比较器）监控，该装置只不过是一个具有非常高增益的传统放大器。 实际上，图 3 所示电路中包含比较器。 XNUMX.可作为运算放大器使用。
比较器比较提供给其输入的两个电压 - 测量电压和参考电压。 比较器 (-) 的反相输入由齐纳二极管 D2 提供参考电压。 该电压设置器件的触发电平。 电池电压由电阻器 R1 和 R2 分压，使其大约等于二极管 D2 的稳定电压。 由电阻器分压的电压从电位计滑块施加到比较器的非反相输入 (+)，以微调开关阈值。 如果电池电压下降太多，以致同相输入端的信号下降到二极管 D2 确定的限值以下，则比较器的输出端将建立负电压。 如果电池电压升至参考电压以上，比较器输出将为正值。 切换比较器输出端的电压符号将为充电电流提供必要的调节。 充电调节器的工作原理 充电电流由电磁继电器调节。 继电器由比较器的输出电压通过晶体管QI 控制。 比较器输出端的负电压意味着电池已放电，需要完全充电电流（晶体管 Q1 闭合）。 因此，集电极电流为零，继电器关断。 常闭继电器触点并联限流电阻Rs。 当继电器关闭时，电阻器从电路中移除，来自太阳能电池的全部电流流向电池。 随着充电状态的增加，电池上的电压也会增加。 当电压达到 12,6 V 时，气体开始逸出。设置为该电平的比较器将进行切换（比较器输出为正）。 晶体管打开，集电极电流打开继电器。 分流电阻器 Rs 的继电器触点打开。
现在来自太阳能电池的充电电流必须克服限流电阻的电阻。 选择该电阻器的值，使充电电流值为电池容量的 2%。 在图的表中。 图4显示了取决于电池容量的Rs值。 比较器开关电压存在一些不确定性。 例如，电池电压升至 12,6 V，超过阈值。 在正常情况下，这将改变比较器的输出电压，操作继电器并降低充电电流。 然而，电池输出电压不仅取决于充电状态，还取决于其他因素，因此在关闭大充电电流后观察到电压略有下降的情况并不少见。 例如，电压很可能下降百分之几伏（高达 12,55 V）。 在这种情况下，该计划将如何运作？ 显然，比较器将切换回来并且恢复高充电电流模式。 由于电池电压非常接近12,6V，电流突然增加无疑会导致电压飙升至高于12,6V，继电器将再次关闭。 在这些条件下，比较器将在跳变电压附近来回切换。 为了消除这种不良效应（称为“偏航”），使用电阻器将小的正反馈引入放大器，从而形成磁滞盲区。 由于存在迟滞，比较器需要比以前更大的电压变化才能运行。 与之前一样，比较器将在 12,6 伏电压下切换，但要使其复位，电池电压必须降至 12,5 伏，这样就消除了振荡效应。 充电电路中串联二极管D1可保护电池或在黑暗（夜间）时通过太阳能电池放电。 该二极管还可以防止充电调节器从电池获取电力。 该调节器完全由太阳能电池供电。 指示装置 充电控制器中引入了指示装置，旨在随时显示控制器的工作状态。 尽管指示器不是设备的必要部分（没有它调节器也能工作），但是它的存在增加了调节器使用的便利性。 指示器装置（图3）由两个比较器和两个发光二极管（LED）组成。 一个比较器的反相输入和另一个比较器的非反相输入连接到生成参考电压的齐纳二极管。 比较器的其余输入连接到控制充电电流的比较器的输出。 当稳压器工作在高充电电流模式时，上比较器被触发并打开 LED LED1。 如果调节器切换到馈送电流模式，则上比较器关闭，下比较器激活并打开LED LED2。 电荷调节器设计 电荷调节器安装在印刷电路板上（图5），其上电路元件的布局如图6所示。 XNUMX. 应特别注意半导体元件的放置（避免引线的错误连接）。 完成的电路可以放置在任何（最好是防水的）盒子中。 对于这些目的，一个小塑料盒非常合适。 如果外壳不透明，为了指示操作模式，请在其盖子上为 LED 钻一个孔。 还需要在外壳侧面开一个孔，用于连接导体的输出。
强大的监管者 所描述的调节器可以控制大约5A的充电电流。其值受到所使用的电磁继电器的接触器的特性的限制。 继电器触点的额定电流高达 3 A，很自然地会问为什么建议使用高达 5 A 的电流。对此可以给出以下解释。 当触点断开电路时，它们之间通常会产生小电弧。 电弧会导致类似于电焊的现象，并且触点表面会出现凹口。 流过的电流越大，电弧的效果越强。 为了防止在所描述的调节器的电路中出现这样的过程，继电器触点并联有小电阻。 因此，很大一部分能量被电阻器吸收，并且没有在电弧中耗散。 因此，触点可以在不被损坏的情况下调节超过额定电流的电流。 如果需要增大调节电流，则需要在电路中使用功率更大的继电器，由小电流继电器的触点接通，如图7所示。 XNUMX.
要安装第二个继电器，需要对 PCB 图纸进行相应修改。 首先拆下连接继电器触点的跳线。 这将断开触点与限流电阻的连接。 现在使用这些引脚来驱动更强大的继电器。 还需要将二极管D1和限流电阻Rs更换为能够承受大电流的二极管和电阻。 将这两个元件放置在靠近继电器的板上更有意义，因为它们比以前的电路元件散发更多的热量。 使用粗电线将电池和太阳能电池直接连接到功率继电器，并使用细电线从太阳能电池的正极输出为调节器电路供电。 低功率稳压器 可能存在这样的情况，小型太阳能电池的电能甚至不足以为继电器供电。 那么继电器可以简单地用晶体管代替。 为此，可以去掉继电器RL1和控制它的晶体管Q1，并将一个pnp晶体管连接到电阻器Rs，并将其基极连接到电阻器R5。 上图。 图8显示了完全修改后的电路。
当比较器输出端的电压为正时，晶体管导通，满充电电流流向电池。 当稳压器切换到升压充电模式时，比较器输出变为负值，晶体管关闭，充电电流现在仅流经 Ra 电阻器，绕过晶体管。 该电路相对于继电器电路的优点是它的操作不限于12V。该装置可以调节额定电压为3-30V的电池的充电。当然，需要改变这些值电阻器和 R2 的类型以及二极管 D2 的类型，以便将电位计 VR1 上的电压值和齐纳二极管上的参考值汇总在一起。 电流限制在 250 mA 左右。 印刷电路板本身充当散热器，可让您从使用的晶体管中去除多余的热量。 散热垫形成在板的背面，不需要任何绝缘。 Калибровка 连接调节器只需四个连接。 两个 - 太阳能电池阵列的正极和负极端子，两个分别连接到电池的正极和负极端子。 在充电器中安装调节器后，需要校准电路，特别是调整其对电压变化的灵敏度，以便电流在正确的时刻切换。为此，首先让电池稍微放电。 然后顺时针转动VR1电位器滑块直至停止（如图所示，到上方位置）。 然后继电器触点将闭合。 电池充电时的电压由电压表监测。 当达到12,6V时，电位器VR1滑块向相反方向旋转，直到继电器关闭。 这将对应于“再充电”费用。 不幸的是，电池的充电电压还取决于其温度。 电池越冷，充电所需的电压就越高。 这会改变稳压器工作的阈值电压。 图表如图。 图9示出了作为温度的函数的响应电压。
原则上可以忽略设置跳闸电压的错误。 如果充电期间电池的温度相对稳定且正值，这可以通过一种或另一种方式来保证，例如通过很好地覆盖电池，那么小的温度变化实际上不会影响调节器的操作。
作者：拜尔斯 T.
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