مدار شارژر باتری قلمی با انرژی خورشیدی

مدار شارژر باتری قلمی با انرژی خورشیدی:
در ساده ترین شکل، مدار شارژر باتری قلمی ولتاژ یا جریان را به ترمینال مثبت باتری اعمال می کند. این امر باعث شارژ شدن باتری و افزایش ولتاژ آن می شود.

اعمال ولتاژ روی باتری ممکن است آن را شارژ کند، اما هیچ سیستمی برای محافظت از باتری ندارد. شیمی هر باتری دارای خصوصیات منحصر به فردی است، اما محدود به آن ها نیست.

ولتاژ نامی، حداکثر ولتاژ، چگالی انرژی، میزان خودتخلیگی، مقاومت داخلی و چرخه عمر. به دلیل نیازهای منحصر به فرد هر یک از باتری های شیمیایی، مهم است که ابتدا مشخص کنیم که از کدام یک از باتری های شیمیایی استفاده می کنیم.

انتخاب باتری
در حال حاضر، سه باتری شیمیایی قابل شارژ رایج برای وسایل مختلف وجود دارد: یون لیتیوم، نیکل-هیدرید فلز (Ni-MH) و کادمیوم نیکل (NiCd) داریم. ولتاژ نامی باتری یون لیتیوم از 3٫2 ولت تا 3٫7 ولت متغیر است، ولتاژ باتری نیکل-هیدرید فلز 1٫2 ولت و کادمیوم نیکل 1٫2 ولت است.

اغلب دستگاه ها از باتری های AA یا AAA استفاده می کنند. به دلیل اینکه ولتاژ نامی باتری یون لیتیوم بیش از دو برابر ولتاژ باتری های AA (قلمی) یا AAA (نیم قلمی) است، در این پروژه آن را انتخاب نمی کنیم.

اکنون، چگالی انرژی Ni-MH و NiCd را مقایسه کنیم و در می یابیم که Ni-MH دارای چگالی انرژی بیشتری نسبت به NiCd است. به همین دلیل، در این مثال از باتری Ni-MH برای تراکم انرژی بهتر استفاده می کنیم.

روش های شارژ باتری:
در مورد روش های شارژ باتری های شیمیایی جزئیاتی وجود دارد. اما در حالت کلی، می توان چنین گفت که برای شارژ سریع باتری (در کمتر از چند ساعت) به طور معمول از میکروکنترلر برای کنترل ولتاژ و دمای باتری استفاده می شود (در بخش قبل این موضوع را بررسی کردیم).

اگر ولتاژ شروع به افت کند، باتری به حالت بیش شارژ رسیده و شارژر خاموش می شود. اگر درجه حرارت به سرعت شروع به افزایش کند، می تواند به معنای آسیب دیدن احتمالی باتری باشد یا اینکه یک حالت بیش شارژ رخ داده است و شارژر خاموش می شود.

اگر زمان برایتان چندان مهم نیست، روش دیگر این است که باتری را به آرامی با تایمر شارژ کنید تا بعد از 12 تا 14 ساعت خاموش شود.

برای جلوگیری از بیش شارژ، شارژر باتری نیاز به حداقل ظرفیت باتری دارد. اما اگر ظرفیت باتری ها بیشتر از حداقل مقداری باشد که شارژر برای آن طراحی شده است، شارژ به طور کامل انجام نمی شود. یک راه حل ساده داشتن ظرفیت باتری برای مشخص کردن شارژر است.

گزینه دیگر شارژ کردن باتری ها به صورت تدریجی است. با توجه به توصیه های برخی شرکت ها شارژ کامل باتری خالی باید 60 ساعت طول بکشد.

این روش برای شارژ کامل باتری خیلی کاربردی نیست، بلکه اغلب به عنوان یک روش شارژ ثانویه از آن استفاده استفاده می شود. پس از پر شدن باتری ها، شارژ تدریجی برای پر نگه داشتن باتری ها شروع به کار می کند.

اما بهترین روش برای مدار شارژر باتری قلمی با انرژی خورشیدی که می خواهیم بسازیم، چیست؟ شارژ تدریجی بسیار طولانی خواهد بود، بنابراین از آن می گذریم.

شارژر مبتنی بر زمان نیز به سرعت با مشکل روبه رو می شود. اگر شارژر خورشیدی شارژ برق خود را از دست بدهد، تایمر ریست می شود و در نتیجه مجدداً شارژ انجام می شود. این مشکل را می توان با اضافه کردن یک باتری فقط برای تایمر حل کرد. در این صورت، اگر برق قطع شود، تایمر همچنان کار می کند، اما باتری ها را شارژ نمی کند، در نتیجه باتری شارژ نمی شود.

به دلیل زمان شارژ طولانی در روش تایمر، تقریباً همیشه توان از دست می رود. بنابراین، روش تایمر نیز کارآمد نیست.

استفاده از میکروکنترلر انتخاب خوبی به نظر می رسد، اما سیستم بسیار پیچیده تری دارد. برای هر شیار باتری باید یک ترمیستور و برای اندازه گیری دمای محیط یک عدد وجود داشته باشد. همچنین ما باید ولتاژ هر باتری را اندازه گیری کنیم و ممکن است به دلیل محدودیت در مصرف انرژی صفحه خورشیدی، نتواند شارژ سریع را انجام دهد.

به نظر می رسد که هریک از روش های ارائه شده محدودیت هایی دارد که باعث نگرانی می شود. در اینجا به جای استفاده از یکی از این روش ها، روشی را پیشنهاد می کنیم که تایمر و میکروکنترلر را در بر می گیرد.

برای مقایسه ولتاژ و جلوگیری از شارژ بیش از حد از یک مقایسه کننده استفاده می کنیم، اما برای محافظت از باتری نرخ شارژ پایین تایمر را به کار می بریم. این کار محدودیت هایی دارد، اما طراحی ساده تری را ارائه می دهد؛ سیستمی که نیازی به برق مداوم نداشته و ایمن باشد.

طراحی شارژر:
از آنجا که این دستگاه در یک محیط با دمای کنترل شده نخواهد بود، توصیه می شود همه اجزا حداکثر دمای کار حداقل 70 درجه سانتی گراد و حداقل حداقل 25- درجه سانتی گراد را داشته باشند. اگرچه 70 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای هوا است، اگر شارژر در آفتاب قرار داشته باشد، دمای دستگاه را بالاتر می برد و می تواند به راحتی به بیش از 50 درجه سانتی گراد برساند.

ابتدا باید یک صفحه خورشیدی انتخاب کنیم. در اینجا یک پنل 5 واتی را انتخاب می کنیم که ولتاژ مدار باز (Voc) آن 22 ولت و جریان اتصال کوتاه (Isc) آن 300 میلی آمپر است.

ولتاژ بالای این پنل باعث می شود بتوان از آن برای شارژ باتری های 12 ولت اتومبیل استفاده کرد، چیزی که به نظر مطلوب است و همچنین بسیار مقرون به صرفه خواهد بود. جریان 300 میلی آمپر، تعداد باتری هایی را که می توانیم به طور همزمان شارژ کنیم به دو باتری کوچک یا یک باتری بزرگ محدود می کند.

پیش تر در مورد شیمی باتری صحبت کردیم، اما در مورد ظرفیت یا فرم فاکتور صحبت نکردیم. احتمالاً فرم فاکتور (AA، AAA و غیره) را در ذهن دارید، زیرا احتمالاً دستگاه خاصی دارید که مایل هستید باتری آن را دوباره شارژ کنید.

در اینجا برای باتری نیم قلمی 1100 میلی آمپر ساعت Ni-MH طراحی را انجام می دهیم (برای باتری قلمی روند مشابه است)، اما شیمی و ظرفیت در واقع خصوصیات الکتریکی را تعریف می کند.

به عنوان یک قانون کلی، هرچه باتری بزرگ تر باشد، ظرفیت آن نیز بیشتر است. با این حال، تفاوت های ظریف در بسته بندی و فناوری به این معنی است که ممکن است یک باتری AAA ظرفیت متفاوتی نسبت به یک باتری AAA دیگر داشته باشد.

منبع تغذیه و باتری ها را برای شارژ داریم، بنابراین سایر کارهای طراحی را شروع می کنیم. قبلاً اشاره کردیم که از یک مقایسه کننده استفاده می کنیم که به معنی داشتن ولتاژ مرجع است.

اغلب، این کار را می توان با یک مقسم ولتاژ انجام داد، اما چون منبع تغذیه ما بسیار متغیر است، از یک تنظیم کننده ولتاژ استفاده می کنیم.

تراشه LM317 یک رگولاتور (تنظیم کننده) ولتاژ رایج است و استفاده آسان، ارزان بودن و دمای کار بالا از مزایای آن است. ولتاژ خروجی توسط دو مقاومت کنترل می شود. از LM317 برای ایجاد یک خط 12 ولت استفاده خواهم کرد که بقیه مدار از آن به عنوان Vcc استفاده خواهد کرد.

برای ترانزیستور LED، از یک 2N3904 استفاده کرده ایم که امیتر به یک مقاومت محدودکننده جریان و LED به صورت سری متصل شده است. این LED نشان می دهد که چه زمانی باتری شارژ می شود و چه زمانی باتری پر است.

برای ترانزیستوری که جریان باتری را کنترل می کند، از ترانزیستور قدرت IRF840 استفاده می کنیم. این قطعه مشخصاتی بیش از آنچه نیاز داریم، ارائه می دهد و ارزان نیز هست، اما می توانید آن را با یک ترانزیستور قدرت دیگر به انتخاب خودتان جایگزین کنید. ترانزیستور به صورت سری با یک مقاومت محدودکننده جریان و باتری متصل می شود.

اکنون این مدار باتری را شارژ می کند، اما کمی جلوتر می رویم و سیستم دیگری را برای محدود کردن جریان اضافه می کنیم. بدین منظور، یک ترانزیستور قدرت دیگر اضافه می کنیم و گیت را به یک تایمر 555 متصل می کنیم. تایمر 555 به گونه ای پیکربندی شده که دارای چرخه کار 80٪ با فرکانس 1KHz باشد.این مقادیر جریان متوسط را محدود می کند، همچنین تضمین می کند که LED نشانگر مدتی جریان کافی داشته باشد تا در زیر نور آفتاب دیده شود.

نمونه اولیه مدار را روی یک برد بورد با فضای خالی برای شارژ یک باتری AAA ساخته ایم. جریان متوسط باتری در یک روز آفتابی زمستان 90 میلی آمپر اندازه گیری شده است. چهار باتری را با شارژر خورشیدی تخلیه و شارژ کرده ایم و سپس چهار بار را با یک شارژر تجاری ساخت Duracell شارژ کرده ایم. ولتاژ روی هر باتری اندازه گیری شده و برای مقایسه در جدول زیر ارائه شده است.

باتری های شارژر خورشیدی ولتاژ متوسط 1274 میلی ولت و باتری های شارژر دوراسل ولتاژ متوسط 1295 میلی ولت داشته اند. ولتاژ کمی پایین تعجب آور نیست، زیرا شارژر خورشیدی برای پایان سیکل شارژ 30 میلی ولت تحت حداکثر ولتاژ طراحی شده است. طراحی کامل مدار در شکل زیر نشان داده شده است.