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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Regulador de carga da bateria para células solares. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa A fonte de alimentação de vários dispositivos é possível diretamente de células solares. No entanto, uma conexão tão simples de células solares só é possível se a ausência de luz solar e, portanto, o fornecimento de energia praticamente não levar a consequências indesejáveis. Em muitos casos, é necessário que aparelhos e equipamentos elétricos funcionem mesmo na ausência de luz solar. Para isso, é preciso armazenar a energia solar gerada durante o dia em baterias para uso posterior. As mais adequadas para esses fins são as baterias de chumbo-ácido. Baterias de chumbo-ácido As baterias de chumbo-ácido são, na verdade, compostas de várias células individuais conectadas em série. Cada elemento, que desenvolve uma tensão de até 2 V, contém duas placas de chumbo colocadas em uma solução fraca de ácido sulfúrico. Quando uma corrente elétrica flui através da célula, ocorre uma reação eletroquímica reversível, e a energia elétrica é armazenada na célula, que, se necessário, pode ser usada posteriormente. Apesar da aparente simplicidade, na realidade, o processo de carregar uma bateria é bastante complicado. A bateria de chumbo-ácido é um dispositivo elétrico sensível que deve ser manuseado com cuidado, especialmente durante o carregamento. Em apoio a isso, vamos seguir os vários estágios de um ciclo de carregamento típico. A carga da bateria começa quando a tensão é aplicada às placas das células, fazendo com que uma corrente elétrica comece a fluir através dela. Leva à ocorrência de uma reação eletroquímica que altera a composição química das placas e do eletrólito da célula da bateria. A velocidade dessa reação depende da magnitude da corrente de carga. Quanto maior a corrente, mais rápido a reação prossegue. Em última análise, é a carga associada a esta corrente que é armazenada na célula para uso posterior. A bateria acumula cada vez mais carga e, eventualmente, ocorre a saturação. Essencialmente, a reação química é estabilizada ou equilibrada, e o acúmulo de cargas cessa. O equilíbrio ocorre quando a maioria dos íons sulfato que foram absorvidos da solução de ácido sulfúrico pelas placas de chumbo durante o ciclo de descarga da bateria retornam das placas para a solução. Nesse caso, as placas voltam a adquirir propriedades metálicas e passam a se comportar como eletrodos colocados em solução aquosa (um excelente meio para eletrólise). A corrente de carga começa a decompor a água no eletrólito em componentes elementares (hidrogênio e oxigênio). Esse processo pode ser percebido mesmo sem saber de sua existência, observando a chamada "fervura" da bateria. Este termo é usado erroneamente devido à semelhança externa do borbulhamento das bolhas de gás durante a eletrólise com a ebulição. É mais correto chamar esse efeito de evolução do gás. O uso de gás começa quando a bateria está com cerca de 70-80% de sua carga total. Se a bateria tivesse sido carregada na mesma taxa, o gaseamento teria danificado as células da bateria. No entanto, a taxa de eletrólise que causa a liberação de gás é proporcional à corrente que flui através da célula. Quanto menor a corrente, mais lenta a água se decompõe e mais fraca a evolução do gás. Você pode reduzir significativamente os efeitos devastadores da desgaseificação reduzindo a corrente de carga quando aparecem sinais de desgaseificação. Embora pare completamente apenas na ausência de corrente, a quantidade de corrente de carga pode ser reduzida a tal nível que a qualidade da bateria não seja degradada quando a carga é acumulada. No último estágio da carga, a bateria é carregada com uma corrente, cujo valor geralmente é uma pequena parte da corrente de carga inicial. Esta corrente carrega lentamente a bateria e, assim, evita a evolução intensa do gás. Depois que a bateria estiver totalmente carregada, ela pode ser desconectada da fonte de alimentação. Devido à presença de impurezas no eletrólito e alterações na composição química das placas, surgem correntes internas nas células da bateria, que reduzem a carga acumulada ao longo do tempo. Eventualmente, a bateria se descarregará automaticamente. Reguladores de carga da bateria Obviamente, a corrente necessária para carregar a bateria depende do estado de carga das células da bateria. Isso implica na necessidade de criar um regulador de carga que avalie o estado de descarga da bateria e, em função disso, controle a corrente de carga. Existem três maneiras de carregar baterias de chumbo-ácido. Ao carregar de células solares, o método mais adequado é com um ciclo de carregamento de dois estágios (Fig. 1).
Em primeiro lugar, vamos supor que a bateria esteja completamente descarregada. Vamos começar a passar corrente pelos elementos. Como o ciclo de carga da bateria deve corresponder ao período de geração de energia elétrica útil pelas células solares, é desejável que a bateria seja carregada no menor tempo possível. O modo de carregamento ideal será aquele em que a evolução do gás começará aproximadamente 4 horas após o início do carregamento da bateria. Esse horário corresponde à maior intensidade de radiação solar durante o dia, geralmente na faixa de 10 a 14 horas.Independentemente das mudanças sazonais e das condições climáticas, é nessa hora do dia que o retorno máximo das células solares pode ser alcançado. Este tempo de carregamento corresponde numericamente a uma corrente de carregamento de 20 A para cada 100 Ah de capacidade da bateria, se, é claro, as células solares permitirem que tal corrente seja recebida. Por exemplo, uma bateria de 75Ah deve ser carregada com 15A. Após uma carga de 4 horas a uma taxa fixa, a bateria terá 80% de sua carga total antes de começar a gaseificação. O próximo passo é reduzir a corrente de carga para um nível mais baixo. O valor desta corrente é geralmente 2-5% da capacidade da bateria. Para uma bateria com capacidade de 75 Ah tomada como exemplo, a corrente de carga no estágio final de carga pode ser de 1,5 a 3,75 A. Dependendo da corrente selecionada, levará mais 4 a 10 horas para a carga final do bateria. Nessa velocidade, leva mais de um dia para carregar totalmente a bateria. No entanto, em dispositivos de energia avançados, as baterias geralmente estão totalmente carregadas na maior parte do tempo de operação e sua descarga completa é extremamente rara. Backup (compensação) recarga de baterias Após a carga final da bateria, é recomendável aplicar adicionalmente uma corrente de recarga de reserva (compensação) a ela. O valor desta corrente é geralmente 1-2% da capacidade total da bateria. Este terceiro estágio adicional de carga da bateria complica o projeto do regulador de carga. Você pode sair dessa situação combinando o segundo e o terceiro estágios de carregamento, usando a mesma corrente da corrente final ou corrente de backup de backup, cujo valor é de 2% da capacidade da bateria. Como resultado, o design do regulador é simplificado e sua confiabilidade é aumentada. Projeto do regulador Para o funcionamento normal do regulador de carga, que satisfaça os requisitos de corrente de carga listados acima, é necessário conhecer o estado de carga da bateria a qualquer momento. Felizmente, a própria bateria fornece a chave para resolver esse problema: existe uma relação bem estabelecida entre a quantidade de carga armazenada na bateria e a tensão nela. Como pode ser visto a partir da fig. 2, essa relação é quase sempre linear.
A área de carga que nos interessa fica entre 70 e 80% da carga total da bateria. É quando este grau de carga é atingido que a evolução do gás começa e é necessário alterar a corrente de carga. Para uma bateria de 12 volts, a voltagem neste ponto é de 12,6 V. Uma bateria totalmente carregada desenvolve uma voltagem de 13,2 V. Ao determinar a tensão na bateria, você pode ajustar a corrente de carga. Se a tensão estiver abaixo de 12,6 V, as células da bateria contêm menos de 80% da carga e o regulador fornece corrente de carga total. Quando a tensão na bateria sobe acima de 12,6 V, é necessário reduzir a corrente de carga ao nível da corrente de carga. A tensão da bateria é monitorada por um dispositivo especial (comparador), que nada mais é do que um amplificador convencional com ganho altíssimo. De fato, o comparador incluído no circuito mostrado na Fig. 3 pode ser usado como um amplificador operacional.
O comparador compara duas tensões - medida e referência, fornecidas às suas entradas. A entrada inversora do comparador (-) é alimentada com uma tensão de referência do diodo zener D2. Essa tensão define o nível de disparo do dispositivo. A tensão da bateria é dividida pelos resistores R1 e R2 de modo que seja aproximadamente igual à tensão de estabilização do diodo D2. A tensão dividida pelos resistores é aplicada à entrada não inversora (+) do comparador do controle deslizante do potenciômetro para ajuste fino do limite de comutação. Se a tensão da bateria diminuir tanto que o sinal na entrada não inversora caia abaixo do limite determinado pelo diodo D2, uma tensão negativa será estabelecida na saída do comparador. Se a tensão da bateria subir acima da tensão de referência, a saída do comparador será positiva. A troca do sinal da tensão na saída do comparador fornecerá a regulação necessária da corrente de carga. O princípio de funcionamento do regulador de carga A corrente de carga é regulada por um relé eletromagnético. O relé é controlado através do transistor QI pela tensão de saída do comparador. Uma tensão negativa na saída do comparador significa que a bateria está descarregada e é necessária uma corrente de carga total (o transistor Q1 está fechado). Portanto, a corrente do coletor é zero e o relé é desligado. Os contatos de relé normalmente fechados desviam o resistor limitador de corrente Rs. Quando o relé é desligado, o resistor é removido do circuito e toda a corrente das células solares vai para a bateria. À medida que o estado de carga aumenta, a tensão na bateria aumenta. A evolução do gás começa quando a tensão atinge 12,6 V. O comparador, definido para este nível, comuta (positivo na saída do comparador). O transistor abre e a corrente do coletor liga o relé. Os contatos do relé que desviam o resistor Rs abrem.
Agora a corrente de carga das células solares deve superar a resistência do resistor limitador. O valor desse resistor é escolhido de forma que o valor da corrente de carga seja 2% da capacidade da bateria. Na tabela da fig. 4 mostra os valores de Rs dependendo da capacidade da bateria. Há alguma incerteza em torno da tensão de comutação do comparador. Deixe, por exemplo, a tensão na bateria subir para 12,6 V, ultrapassando o limite. Em condições normais, isso alterará a tensão de saída do comparador, operará o relé e diminuirá a corrente de carga. No entanto, a tensão de saída da bateria depende não apenas do estado de carga, mas também de outros fatores e, portanto, não é incomum observar uma ligeira queda na tensão após desligar uma grande corrente de carga. É bastante provável, por exemplo, que a tensão caia vários centésimos de volt (até 12,55 V). Como o esquema funcionará neste caso? Obviamente, o comparador voltará e o modo de alta corrente de carga será restaurado. Como a tensão da bateria está muito próxima de 12,6 V, um aumento repentino na corrente sem dúvida fará com que a tensão suba para um nível superior a 12,6 V. Como resultado, o relé será desligado novamente. Nessas condições, o comparador alternará para frente e para trás perto da tensão de disparo. Para eliminar esse efeito indesejável, chamado de "guinada", uma pequena realimentação positiva é introduzida no amplificador por meio de um resistor, criando uma zona morta de histerese. Com histerese, o comparador requer uma mudança maior na tensão do que antes para operar. Como antes, o comparador irá comutar a 12,6 volts, mas para que seja reinicializado, a tensão da bateria deve cair para 12,5 volts, o que elimina o efeito oscilante. A conexão serial do diodo D1 no circuito de carga protege a bateria ou descarrega através das células solares no escuro (à noite). Este diodo também evita que o regulador de carga extraia energia da bateria. O regulador é totalmente alimentado por células solares. dispositivo indicador Um dispositivo indicador é introduzido no controlador de carga, projetado para exibir o modo de operação do controlador a qualquer momento. Embora o indicador não seja uma parte necessária do dispositivo (o regulador funcionará sem ele), sua presença aumenta a comodidade de trabalhar com o regulador. O dispositivo indicador (Fig. 3) consiste em dois comparadores e dois diodos emissores de luz (LEDs). A entrada inversora de um comparador e a entrada não inversora do outro são conectadas a um diodo zener que gera uma tensão de referência. As demais entradas dos comparadores são conectadas à saída do comparador que controla a corrente de carga. O comparador superior é acionado e liga o LED LED1 quando o regulador opera no modo de alta corrente de carga. Se o regulador mudar para o modo de corrente de alimentação, o comparador superior desliga e o comparador inferior é ativado e acende o LED LED2. design do regulador de carga O regulador de carga é montado em uma placa de circuito impresso (Fig. 5), cuja colocação dos componentes do circuito é mostrada na Fig. 6. Atenção especial deve ser dada à colocação dos elementos semicondutores (para evitar conexões erradas dos condutores). O circuito finalizado é colocado em qualquer caixa (de preferência à prova d'água). Para esses fins, uma pequena caixa de plástico é bastante adequada. Se a caixa for opaca, para indicar os modos de operação, faça um furo para os LEDs em sua tampa. Também é necessário fazer um furo na lateral do invólucro para a saída dos condutores de conexão.
Reguladores Poderosos O regulador descrito pode controlar uma corrente de carga de cerca de 5 A. Seu valor é limitado pelas propriedades do contator do relé eletromagnético usado. Os contatos do relé são dimensionados para corrente de até 3 A, e é bastante natural perguntar por que é recomendado usá-los até 5 A. Isso pode ser explicado a seguir. Quando os contatos abrem um circuito, geralmente ocorre um pequeno arco elétrico entre eles. O arco leva a fenômenos semelhantes à soldagem elétrica e aparecem entalhes na superfície dos contatos. Quanto maior a corrente fluindo, mais forte o efeito do arco elétrico. Para evitar tal processo no circuito do regulador descrito, os contatos do relé são desviados com uma pequena resistência. Portanto, uma parte significativa da energia é absorvida pelo resistor e não dissipada no arco elétrico. Assim, os contatos, sem serem destruídos, podem regular correntes superiores à corrente nominal. Caso seja necessário aumentar a corrente regulada, é necessário utilizar um relé mais potente no circuito, acionado pelos contatos de um relé de baixa corrente, conforme mostra a fig. 7.
Para instalar um segundo relé, o desenho do PCB precisa ser modificado de acordo. Comece removendo os jumpers que vão para os contatos do relé. Isso desconecta os contatos do resistor limitador de corrente. Agora use esses pinos para acionar um relé mais poderoso. Também é necessário substituir o diodo D1 e o resistor limitador de corrente Rs por um diodo e resistor capazes de suportar altas correntes. Faz mais sentido colocar esses dois elementos fora da placa perto do relé, pois eles dissipam mais calor do que os elementos do circuito anterior. Conecte a bateria e as células solares diretamente ao relé de energia usando fios grossos e use fios finos para alimentar o circuito regulador da saída positiva das células solares. Regulador de baixa potência Pode haver casos em que a energia elétrica de uma pequena bateria solar não seja suficiente nem para alimentar o relé. Então o relé pode simplesmente ser substituído por um transistor. Para isso, você pode remover o relé RL1 e o transistor Q1 que o controla e conectar um transistor pnp ao resistor Rs, e sua base ao resistor R5. Na fig. 8 mostra o circuito elétrico após modificação completa.
Quando a tensão na saída do comparador é positiva, o transistor é ligado e a corrente de carga total flui para a bateria. Quando o regulador muda para o modo de carga de reforço, a saída do comparador torna-se negativa, o transistor desliga e a corrente de carga agora flui apenas através do resistor Ra, contornando o transistor. A vantagem deste circuito sobre o circuito do relé é que sua operação não é limitada a 12 V. O dispositivo pode regular o carregamento de baterias classificadas para tensões de 3 a 30 V. Claro, é necessário alterar os valores dos resistores e R2 e o tipo de diodo D2 de forma a juntar os valores da tensão que cai no potenciômetro VR1 e referência no diodo zener. A corrente é limitada a cerca de 250 mA. A própria placa de circuito impresso serve como um dissipador de calor que permite remover o excesso de calor do transistor usado. A almofada do dissipador de calor é formada no lado reverso da placa e não requer nenhum isolamento. Калибровка Apenas quatro conexões precisam ser feitas para conectar o regulador. Dois - para os terminais positivo e negativo do painel solar e dois, respectivamente, para os terminais positivo e negativo da bateria. Depois de instalar o regulador no carregador, é necessário calibrar o circuito e, principalmente, ajustar sua sensibilidade às mudanças de tensão para que a corrente mude no momento certo. Para isso, primeiro deixe a bateria descarregar um pouco. Em seguida, o controle deslizante do potenciômetro VR1 é girado no sentido horário até parar (conforme o diagrama, para a posição superior). Os contatos do relé serão então fechados. A voltagem na bateria enquanto ela está sendo recarregada é monitorada com um voltímetro. Quando atinge 12,6 V, o controle deslizante do potenciômetro VR1 gira na direção oposta até que o relé desligue. Isso corresponderá à carga de "recarga". Infelizmente, a tensão de carga de uma bateria também depende de sua temperatura. Quanto mais fria a bateria, mais tensão é necessária para carregar. Isso altera a tensão limite na qual o regulador deve operar. O gráfico da fig. 9 mostra a tensão de resposta em função da temperatura.
Um erro no ajuste da tensão de disparo pode, em princípio, ser desprezado. Se a temperatura da bateria durante o carregamento for relativamente estável e positiva, o que pode ser garantido de uma forma ou de outra, por exemplo, cobrindo-a bem, pequenas mudanças de temperatura praticamente não afetarão o funcionamento do regulador.
Autor: Byers T.
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