Solar 12V SLA batterilader: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

For en tid siden kom jeg i besittelse av en "sitron" av en ATV side om side. Det er nok å si at det er MYE galt med det. På et tidspunkt bestemte jeg meg for at "HEY, jeg skulle bare bygge min egen kraftige solbatterilader bare for å holde det billige, døde dørspikeren batteriet ladet mens frontlysene kjører!" Etter hvert utviklet det seg til ideen om at "HEY, jeg burde bruke batteriet til å drive noen eksterne prosjekter jeg har planlagt!"

Dermed ble "Lead Buddy" solbatterilader født.

I utgangspunktet så jeg på å få designet mitt fra Sparkfun's "Sunny Buddy" (derav hvor jeg fikk navnet), men tilfeldigvis la jeg merke til at en komponent jeg allerede brukte i et annet prosjekt, faktisk hadde et applikasjonsnotat om bruk som en solbatterilader (som jeg hadde gått glipp av mens jeg hadde gått igjennom databladet tidligere) - Analog Device's LTC4365! Den har ikke MPPT, men hei, heller ikke Sparkfun's "Sunny Buddy" (i hvert fall ikke sant MPPT …). Så, hvordan fikser vi dette? Vel, kjære leser, du ser gjennom appnotater !!! Nærmere bestemt Microchips AN1521 "Practical Guide to Implementing Solar Panel MPPT Algorithms". Det er faktisk ganske interessant lesning, og gir deg flere forskjellige metoder for å implementere MPPT -kontroll. Du trenger bare to sensorer, en spenningssensor (spenningsdeler) og en nåværende sensor, og du trenger nøyaktig en utgang. Jeg visste tilfeldigvis om en spesiell strømsensor som kan brukes med en N-Channel MOSFET, kalt IR25750 fra International Rectifier. AN-1199 deres på IR25750 er også interessant lesning. Til slutt trenger vi en mikrokontroller for å koble det hele sammen, og siden vi bare trenger 3 pinner, skriver du inn ATtiny10!

Trinn 1: Velge deler, tegne skjemaer

Nå som vi har våre 3 hoveddeler, må vi begynne å velge de forskjellige andre komponentene som må følge våre IC -er. Vår neste viktige komponent er våre MOSFET-er, spesielt for denne revisjonen (se det siste trinnet for mer informasjon om det), jeg valgte å bruke TO SQJB60EP Dual N-Channel MOSFETs. Den ene MOSFET styres utelukkende av LTC4365, og den andre MOSFET er satt opp slik at den ene FET fungerer som en "ideell lavsidesdiode" beregnet på omvendt inngangsbeskyttelse (Hvis du søker etter det i Google, vil du sannsynligvis ikke komme opp med applikasjonsnotater fra TI og Maxim om emnet, jeg måtte grave etter det.), mens den andre FET styres av ATtiny10s 16-biters PWM-timer (eller hvilken oppløsning du velger …). Deretter kommer våre passiver, som ærlig talt ikke er så viktige å liste. De består av motstander for spenningsdelere/laderprogrammering og forskjellige bypass-/lagringskondensatorer, bare sørg for at motstandene dine kan håndtere strømmen som spres gjennom dem, og at kondensatorene har rimelige temperaturtoleranser (X5R eller bedre). Det er viktig å merke seg at på grunn av hvordan dette er designet, MÅ et batteri festes til brettet for at det skal fungere.

Jeg har satt opp LTC4365 for å kunne lade enten 12 eller 24V batterier ved å bytte en jumper (for å gi OV -pinnen på laderen 0,5V når batteriet er ladet til rundt 2,387V/celle for 12V batterier). Laderspenningsdeleren er også temperaturkompensert gjennom en 5k PTC -motstand som kobles til brettet via en 2,54 mm topptekst og vil koble seg til siden av batteriet med enten termisk ledende pottemasse eller til og med tape. Vi må også bruke et par zenere i hele designet, nemlig for å drive MOSFET med omvendt spenning (i tillegg til å levere strøm til den andre FET i tilfelle du ikke installerer MPPT -komponentene via en jumper pad) og for å beskytte LTC4365 pinner fra overspenning. Vi vil drive ATtiny10 med en 5V bilregulator som er klassifisert for 40V inngang.

Sikringer …

En viktig ting å merke seg, er at du ALLTID skal ha sikringer på innganger og utganger når det gjelder batteriladere, og at du ALLTID bør bruke OV-beskyttelse på innganger med høy strøm (IE-batteri). Innganger med lav strøm kan ikke lett implementeres OVP (IE-krøllingskretser), da de ofte ikke kan produsere nok strøm til å utløse en avbryter/sikring. Dette kan føre til en dødelig situasjon der TRIAC/SCR begynner å bli overopphetet, og muligens mislykkes, noe som kan føre til at komponentene langs linjen blir skadet eller at prosjektet ditt eksploderer i flammer. Du må kunne levere nok strøm til å faktisk sprenge sikringen i tide (som vårt 12V batteri KAN gjøre). Når det gjelder sikringer, bestemte jeg meg for å gå med 0453003. MR av Littlefuse. Det er en fantastisk sikring i en veldig liten SMD -pakke. Hvis du bestemmer deg for å gå med større sikringer, for eksempel 5x20 mm sikringer, VENNLIGST FOR DEN KJÆRLIGHETEN TIL DET SOM HØYERE DU BEDER TIL ….. Ikke bruk glassikringer. Sikringer av glass kan knuses når de blåser, og det sender biter av varmt smeltet metall og skarpt glass ut over hele brettet og gjør alle slags skader i prosessen. Bruk ALLTID keramiske sikringer, de fleste er fylt med sand, slik at når de blåser, steker de ikke brettet ditt eller huset ditt (for ikke å snakke om at keramikken i seg selv også skal hjelpe til med beskyttelse, på samme måte som den keramiske rustningen som brukes for å beskytte moderne kampkjøretøyer mot formede ladningstridshoder/ VIRKELIGE HOT JETS OF PLASMA). Å kunne "se" den lille ledningen i sikringen din (det kan du kanskje ikke se uansett, spesielt hvis du er nesten blind) er ikke verdt å ha en ulmende bunke med kull der huset ditt pleide å være. Hvis du trenger å teste sikringen din, bruk et multimeter for å sjekke motstanden.

ESD -beskyttelse

For lengst er dagene hvor vi utelukkende stolte på dyre $ 5-10 varistorer for å beskytte våre elektroniske prosjekter. Du bør ALLTID kaste inn noen TVer, eller Transient Voltage Supression, dioder. Det er bokstavelig talt ingen grunn til ikke å gjøre det. Enhver inngang, spesielt en solcellepanelinngang, bør beskyttes mot ESD. I tilfelle et lynnedslag i nærheten av solcellepanelene/en hvilken som helst strekning av ledning, kan den lille TVS-dioden, kombinert med en sikring, forhindre at prosjektet ditt blir skadet av noen form for ESD/EMP (noe som er et lyn) streik er, liksom …). De er ikke på langt nær like holdbare som MOV -er, men de kan sikkert få jobben gjort mesteparten av tiden.

Som bringer oss til vårt neste element, Spark gap. "Hva er gnistgap?!?" Vel, gnistgap er i hovedsak bare et spor som strekker seg ut i et jordplan fra en av inngangspinnene dine, som har loddemasken fjernet fra den og det lokale bakken og blir utsatt for friluft. Enkelt sagt lar ESD bue over rett inn i bakkeplanet (minst motstands vei), og forhåpentligvis spare kretsen din. De koster absolutt ingenting å legge til, så du bør alltid legge dem til der du kan. Du kan beregne avstanden du trenger mellom sporet og jordplanet for å beskytte for en viss spenning gjennom Paschens lov. Jeg kommer ikke til å diskutere hvordan jeg skal beregne det, men det er nok å si at det anbefales en generell kunnskap om beregning. Ellers bør du ha det bra med et mellomrom på 6-10 mil mellom sporet og bakken. Det er også lurt å bruke et avrundet spor. Se bildet jeg la ut for en ide om hvordan du implementerer det.

Bakken fly

Det er ingen grunn til ikke å bruke en stor bakken i de fleste elektronikkprosjekter. Videre er det ekstremt sløsing å ikke bruke malet hell, da alt kobber må etses av. Du betaler allerede for kobberet. Du kan like godt ikke forurense det i Kina (eller hvor som helst) og bruke det som grunnplan. Klekket hell har svært begrensede bruksområder i moderne elektronikk, og er sjelden, hvis det noen gang blir brukt lenger for å si det, ettersom fast grunnheller angivelig har bedre kvaliteter for høyfrekvente signaler, for ikke å nevne at de er flinkere til å skjerme følsomme spor OG kan gi noen bypass kapasitans med et "levende" fly hvis du bruker et flerlags bord. Det er også viktig å merke seg at hvis du bruker en refowovn eller en varmluftsbehandlingsstasjon, anbefales det ikke at faste bakkeplanforbindelser til passive komponenter, da de kan "gravstein" når de strømmer tilbake, ettersom grunnplanet har mer termisk masse som må varmes opp for at loddetinnet skal smelte. Du kan absolutt gjøre det hvis du er forsiktig, men du bør bruke termiske avlastningsunderlag, eller det EasyEDA kaller "Eiker" for å koble den passive komponentens jordpute til. Brettet mitt bruker termiske avlastningsunderlag, men siden jeg lodder for hånd, spiller det egentlig ingen rolle.

Ved varmespredning …

Solcelleladeren vår bør ikke avgi for mye varme, selv ved den maksimalt utformede strømmen på 3A (avhengig av sikringen). I verste fall er vår SQJB60EPs motstand 0.016mOhm ved 4.5V ved 8A (SQJ974EP i min andre revisjon, ved 0.0325mOhm, se notatene mine på slutten for mer info). Ved å bruke Ohms Law, P = I^2 * R, er strømforbruket 0,144 W ved 3A (Nå skjønner du hvorfor jeg har brukt N -kanal MOSFET for våre MPPT- og reversspennings "diode" krets). Vår 5V -regulator for biler bør heller ikke forsvinne for mye, ettersom vi bare bruker maksimalt et par dusin milliampere. Med et 12V, eller til og med et 24V batteri, bør vi ikke se nok strømtap på regulatoren for å virkelig måtte bekymre deg for at den synker ned, men ifølge TIs glimrende applikasjonsnotat om problemet, forsvinner det meste av strømmen din som varme føre tilbake til selve PCB, da det er veien til minst motstand. Som et eksempel har vår SQJB60EP en termisk motstand på 3.1C/W mot dreneringsputen, mens plastpakken har en termisk motstand på 85C/W. Varmesinking er mye mer effektiv når det gjøres gjennom selve kretskortet, IE- legger fine store fly for komponentene dine som avleder mye varme (og dermed gjør PCB-en til en hodespreder), eller dirigerer vias til motsatt side av brettet fra en mindre plan på toppen for å gi rom for mer kompakte design. (Ruting av termiske vias til et plan på den motsatte siden av brettet gjør det også enkelt å feste en kjøleribbe/slug på baksiden av brettet, eller å få den varmen til å forsvinne gjennom bakken av et annet brett når det festes som en modul.) En rask og skitten måte du kan beregne hvor mye strøm du trygt kan fjerne fra en komponent er (Tj - Tamb) / Rθja = Strøm. For mer informasjon, oppfordrer jeg deg sterkt til å lese TIs appnotat.

Og endelig…

Hvis du vil ha prosjektet ditt inne i en beholder, for eksempel jeg planlegger å gjøre som det åpenbart skal brukes ute, bør du alltid velge beholderen/esken før du legger ut brettet. I mitt tilfelle valgte jeg Polycase's EX-51, og har designet brettet mitt som sådan. Jeg har også designet et "frontpanel" -kort, som kobles til solinngangens kastelerte "hull", eller mer nøyaktig, spor (som passer til et 1,6 mm tykt bord). Lodde dem sammen, og du er god til å gå. Dette panelet har vanntette kontakter fra Switchcraft. Jeg har ikke bestemt meg for om jeg skal bruke et "frontpanel" eller et "bakpanel" ennå, men uansett vil jeg også trenge en "vanntett kabelgjennomføring" for enten inngang eller utgang, så vel som batterietermistoren vår. I tillegg kan laderen min også installeres på et brett som en modul (derav de kasteliserte hullene).

Trinn 2: Få delene dine

Å bestille deler kan være en uutholdelig oppgave, gitt hvor mange leverandører det er, og med tanke på at små deler vil gå tapt fra tid til annen (dvs. motstander, kondensatorer). Faktisk mistet jeg motstandene for 24V batteriladningskrets. Heldigvis bruker jeg ikke 24V ladekrets.

Jeg valgte å bestille PCB -en min fra JLCPCB, fordi den er billig. De ser også ut til å bytte til en "fotobilde-stand" -prosess, som etterlater fine skarpe silkeskjermer (og loddemasker) siden jeg sist bestilte fra dem. Dessverre gir de ikke lenger gratis frakt, så enten må du vente en eller to uker for å få den, eller så må du betale $ 20+ for at den skal sendes via DHL…. Når det gjelder komponentene mine, gikk jeg med Arrow, ettersom de har gratis frakt. Jeg måtte bare kjøpe termistoren fra Digikey, da Arrow ikke hadde det.

Vanligvis er 0603 størrelse passiver A-OK til lodding. Komponenter i størrelse 0402 kan være vanskelige og går lett tapt, så bestill minst det dobbelte av det du trenger. Kontroller alltid at de har sendt deg alle komponentene. Dette er spesielt viktig hvis de ikke konsoliderer bestillingen din, og i stedet sender deg 20 forskjellige bokser gjennom FedEx.

Trinn 3: Gjør deg klar …

Gjør deg klar til lodding …. Du trenger virkelig ikke så mange verktøy for å lodde. Et billig, moderat drevet loddejern, flux, loddetinn, pinsett og snips, er omtrent alt du trenger. Du BØR også ha en brannslukningsapparat klar, og du bør ALLTID ha en maske klar til å filtrere ut luftbårne forurensninger som er avskrekket av fluksen, som er kreft/giftig.

Trinn 4: Sette det sammen

Å montere kretskortet er veldig enkelt. Det er stort sett bare "tinn en pute, lodd en pinne til den kategorien, deretter" dra loddetinn "resten av pinnene". Du trenger ikke et mikroskop eller en fancy omarbeidingsstasjon for å lodde SMD -komponenter. Du trenger ikke engang et forstørrelsesglass for noe større enn og 0603 (og noen ganger 0402) komponenter. Bare pass på at det ikke er noen brostykker, og at du ikke har noen kalde ledd. Hvis du ser noe "morsomt", legg litt fluks på det og slå det med strykejernet.

Når det gjelder flux, bør du sannsynligvis bruke ikke-ren flux, da det er trygt å la det ligge på brettet ditt. Dessverre er det vondt å faktisk rense det av brettet ditt. For å rengjøre "ikke-ren" fluss må du fjerne så mye av de store tingene som mulig med litt spritsprit av høy kvalitet, over 90% konsentrasjon og en bomullspinne. Deretter børster du den godt med en gammel tannbørste (gamle elektriske tannbørster/tannbørstehoder fungerer vakkert). Til slutt, varme opp litt destillert vann til et varmtvannsbad. Du kan bruke litt oppvaskmiddel hvis du vil (bare pass på at det ikke ødelegger brettet ditt kongelig, det skal ikke skade noen tilkoblinger på kretskortet ettersom oppvaskmidler er designet for å "feste" seg til organiske komponenter gjennom det hydrofobe såpe. Den hydrofobe hydrofile virkningen er tilveiebrakt av den polare/upolare hydrokarbon/alkalistrukturen til dens molekyler, og kan vaskes av via den hydrofile komponenten. Virkelig, det eneste problemet er når den ikke skylles ordentlig med destillert vann eller hvis det er ekstremt etsende). IFF ved et mirakel får du faktisk bort all den ikke-rene fluksen med alkohol, og du vil sannsynligvis ikke gjøre det, du kan hoppe over å vaske brettet ditt sammen.

Etter omtrent 30 minutter skal varmtvannet bryte opp resten av klissete rester på brettet, så kan du dra til byen med tannbørsten din og fjerne resten. Skyll godt, og la det tørke i en brødristerovn satt til laveste innstilling, eller la det tørke minst 24 timer i det fri. Ideelt sett bør du bruke enten en brødristerovn eller en billig varmluftspistol fra Harbor Freight holdt langt nok unna til ikke å steke noe. Du kan også bruke trykkluft med samme effekt.

Som en sidemerk, vær forsiktig når du børster PCB -ene, da du kan kaste komponenter løs. Du trenger ikke å trykke veldig hardt ned, akkurat nok til å få børsten mellom komponentene.

Trinn 5: Solpaneler …