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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 태양 전지용 배터리 충전 조절기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
태양 전지에서 직접 다양한 장치의 전원 공급이 가능합니다. 그러나 이러한 간단한 태양 전지 연결은 햇빛이 없는 경우에만 가능하므로 전원 공급 장치가 실제로 바람직하지 않은 결과를 초래하지 않습니다. 많은 경우 전기 제품과 장비는 햇빛이 없는 상태에서도 작동해야 합니다. 이렇게 하려면 낮에 생성된 태양 에너지를 나중에 사용할 수 있도록 배터리에 저장해야 합니다. 이러한 목적에 가장 적합한 것은 납산 배터리입니다. 납산 배터리 납산 배터리는 실제로 직렬로 연결된 여러 개의 개별 셀로 구성됩니다. 최대 2V의 전압을 생성하는 각 요소에는 약한 황산 용액에 놓인 두 개의 납판이 포함되어 있습니다. 전지에 전류가 흐르면 가역적인 전기화학 반응이 일어나 전기 에너지가 전지에 저장되어 나중에 필요할 때 사용할 수 있습니다. 명백한 단순성에도 불구하고 실제로 배터리를 충전하는 과정은 상당히 복잡합니다. 납산 배터리는 특히 충전 시 주의해서 다루어야 하는 민감한 전기 장치입니다. 이를 뒷받침하기 위해 일반적인 충전 주기의 다양한 단계를 살펴보겠습니다. 배터리 충전은 셀 플레이트에 전압이 가해지면 시작되며 그 결과 전류가 흐르기 시작합니다. 이는 플레이트의 화학적 조성과 배터리 셀의 전해질을 변화시키는 전기 화학 반응의 발생으로 이어집니다. 이 반응 속도는 충전 전류의 크기에 따라 다릅니다. 전류가 클수록 반응이 더 빨리 진행됩니다. 궁극적으로 나중에 사용하기 위해 셀에 저장되는 것은 이 전류와 관련된 전하입니다. 배터리는 점점 더 많은 충전량을 축적하고 결국 포화 상태가 됩니다. 기본적으로 화학 반응이 안정화되거나 균형을 이루고 더 이상의 전하 축적이 중단됩니다. 평형은 배터리 방전 주기 동안 납판에 의해 황산 용액에서 흡수된 대부분의 황산염 이온이 판에서 용액으로 돌아올 때 발생합니다. 이 경우 플레이트는 다시 금속 특성을 획득하고 수용액(우수한 전기분해 매체)에 놓인 전극처럼 작동하기 시작합니다. 충전 전류는 전해질의 물을 원소 성분(수소 및 산소)으로 분해하기 시작합니다. 이 프로세스는 소위 배터리의 "비등"을 관찰함으로써 그 존재에 대해 알지도 못하는 사이에 알 수 있습니다. 이 용어는 비등으로 전기분해하는 동안 기포의 외부 유사성 때문에 잘못 사용됩니다. 이 효과를 기체 진화라고 부르는 것이 더 정확합니다. 배터리가 완전히 충전된 상태의 약 70-80%가 되면 가스 발생이 시작됩니다. 배터리가 동일한 속도로 충전되었다면 가스로 인해 배터리 셀이 손상되었을 것입니다. 그러나 탈기체를 일으키는 전기분해 속도는 셀을 통해 흐르는 전류에 비례합니다. 전류가 낮을수록 물의 분해 속도가 느려지고 가스 방출이 약해집니다. 가스 방출 징후가 나타날 때 충전 전류를 줄임으로써 가스 방출의 파괴적인 영향을 크게 줄일 수 있습니다. 전류가 없을 때만 완전히 정지하지만, 충전 전류의 양은 충전이 축적되어도 배터리의 품질이 저하되지 않는 수준으로 감소될 수 있습니다. 충전의 마지막 단계에서 배터리는 전류로 충전되며 그 값은 일반적으로 초기 충전 전류의 작은 부분입니다. 이 전류는 배터리를 천천히 충전하여 강렬한 가스 방출을 방지합니다. 배터리가 완전히 충전되면 전원에서 분리할 수 있습니다. 전해질의 불순물과 플레이트의 화학적 조성 변화로 인해 배터리 셀에 내부 전류가 발생하여 시간이 지남에 따라 축적된 전하가 감소합니다. 결국 배터리는 자체 방전됩니다. 배터리 충전 조절기 분명히 배터리를 충전하는 데 필요한 전류는 배터리 셀의 충전 상태에 따라 다릅니다. 이는 배터리 방전 상태를 평가하고 이에 따라 충전 전류를 제어하는 충전 조절기를 만들어야 함을 의미합니다. 납산 배터리를 충전하는 방법에는 세 가지가 있습니다. 태양 전지에서 충전할 때 가장 적합한 방법은 1단계 충전 사이클을 사용하는 것입니다(그림 XNUMX).
우선, 배터리가 완전히 방전되었다고 가정합시다. 요소를 통해 전류 전달을 시작합시다. 배터리의 충전주기는 태양전지가 유용한 전력을 생산하는 주기와 일치해야 하므로 가능한 한 짧은 시간에 배터리를 충전하는 것이 바람직하다. 최적의 충전 모드는 배터리 충전 시작 후 약 4시간 후에 가스 발생이 시작되는 모드입니다. 이 시간은 낮 시간 중 가장 높은 태양 복사 강도에 해당하며 일반적으로 10~14시간 범위이며 계절 변화와 기상 조건에 관계없이 하루 중 태양 전지에서 최대 수익을 얻을 수 있는 시간입니다. 이 충전 시간은 배터리 용량 20Ah마다 100A의 충전 전류에 해당하며, 물론 태양 전지가 이러한 전류를 수신할 수 있는 경우입니다. 예를 들어, 75Ah 배터리는 15A로 충전해야 합니다. 고정 속도로 4시간 동안 충전하면 배터리는 가스 주입이 시작되기 전에 전체 충전량의 80%를 차지합니다. 다음 단계는 충전 전류를 더 낮은 수준으로 줄이는 것입니다. 이 전류 값은 일반적으로 배터리 용량의 2-5%입니다. 예를 들어 용량이 75Ah인 배터리의 경우 충전 마지막 단계의 충전 전류는 1,5~3,75A가 될 수 있습니다. 선택한 전류에 따라 최종 충전까지 4~10시간이 더 소요됩니다. 배터리. 이 속도에서는 배터리를 완전히 충전하는 데 하루 이상 걸립니다. 그러나 고급 전원 장치에서 배터리는 일반적으로 대부분의 작동 시간 동안 완전히 충전된 상태이며 완전히 방전되는 경우는 극히 드뭅니다. 배터리 백업(보상) 충전 배터리를 최종 충전한 후 예비(보상) 재충전 전류를 추가로 가하는 것이 좋습니다. 이 전류 값은 일반적으로 총 배터리 용량의 1-2%입니다. 배터리 충전의 이 추가적인 세 번째 단계는 충전 조절기의 설계를 복잡하게 만듭니다. 최종 전류 또는 백업 충전 전류와 동일한 전류를 사용하여 두 번째 및 세 번째 충전 단계를 결합하여 상황에서 벗어날 수 있으며 그 값은 배터리 용량의 2%입니다. 결과적으로 조정기의 설계가 단순화되고 신뢰성이 향상됩니다. 레귤레이터 설계 위에 나열된 충전 전류 요구 사항을 충족하는 충전 조절기의 정상적인 작동을 위해서는 언제든지 배터리의 충전 상태를 알아야 합니다. 다행히 배터리 자체가 이 문제를 해결하는 열쇠를 제공합니다. 배터리에 저장된 전하량과 전압 사이에는 잘 확립된 관계가 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이. 2, 이 관계는 거의 항상 선형입니다.
우리가 관심 있는 충전 영역은 배터리 완전 충전의 70~80% 이내입니다. 이 충전 정도에 도달하면 가스 발생이 시작되고 충전 전류를 변경해야 합니다. 12볼트 배터리의 경우 이 시점의 전압은 12,6V입니다. 완전히 충전된 배터리의 전압은 13,2V입니다. 배터리의 전압을 결정하여 충전 전류를 조정할 수 있습니다. 전압이 12,6V 미만이면 배터리 셀이 충전량의 80% 미만을 포함하고 레귤레이터가 최대 충전 전류를 제공합니다. 배터리의 전압이 12,6V 이상으로 상승하면 충전 전류를 충전 전류 수준으로 낮출 필요가 있습니다. 배터리의 전압은 게인이 매우 높은 기존 증폭기에 지나지 않는 특수 장치(비교기)에 의해 모니터링됩니다. 실제로, 비교기는 그림 3에 표시된 회로에 포함되어 있습니다. XNUMX은 연산 증폭기로 사용할 수 있습니다.
비교기는 입력에 공급되는 측정 전압과 기준 전압의 두 가지 전압을 비교합니다. 비교기(-)의 반전 입력에는 제너 다이오드 D2에서 기준 전압이 공급됩니다. 이 전압은 장치의 트리거 레벨을 설정합니다. 배터리 전압은 다이오드 D1의 안정화 전압과 거의 같도록 저항 R2과 R2로 나누어집니다. 저항으로 나눈 전압은 스위칭 임계값을 미세 조정하기 위해 전위차계 슬라이더에서 비교기의 비반전 입력(+)에 적용됩니다. 배터리 전압이 너무 많이 감소하여 비반전 입력의 신호가 다이오드 D2에 의해 결정된 제한 아래로 떨어지면 비교기의 출력에 음의 전압이 설정됩니다. 배터리 전압이 기준 전압 이상으로 상승하면 비교기 출력은 양수가 됩니다. 비교기 출력에서 전압 부호를 전환하면 필요한 충전 전류 조절이 제공됩니다. 충전 조절기의 작동 원리 충전 전류는 전자기 릴레이에 의해 조절됩니다. 릴레이는 비교기의 출력 전압에 의해 트랜지스터 QI를 통해 제어됩니다. 비교기 출력의 음전압은 배터리가 방전되고 전체 충전 전류가 필요함을 의미합니다(트랜지스터 Q1이 닫힘). 따라서 컬렉터 전류는 XNUMX이고 릴레이가 꺼집니다. 일반적으로 닫힌 릴레이 접점은 전류 제한 저항 Rs를 션트합니다. 릴레이가 꺼지면 저항이 회로에서 제거되고 태양 전지의 전체 전류가 배터리로 이동합니다. 충전 상태가 증가함에 따라 배터리의 전압이 증가합니다. 전압이 12,6V에 도달하면 가스 방출이 시작됩니다. 이 수준으로 설정된 비교기는 전환됩니다(비교기 출력에서 양수). 트랜지스터가 열리고 컬렉터 전류가 릴레이를 켭니다. 저항 Rs를 션트한 릴레이 접점이 열립니다.
이제 태양 전지의 충전 전류는 제한 저항의 저항을 극복해야 합니다. 이 저항의 값은 충전 전류 값이 배터리 용량의 2%가 되도록 선택됩니다. 그림의 표에서. 도 4는 배터리 용량에 따른 Rs의 값을 나타낸다. 비교기 스위칭 전압에는 약간의 불확실성이 있습니다. 예를 들어 배터리의 전압이 12,6V로 상승하여 임계값을 초과한다고 가정합니다. 정상적인 조건에서 이는 비교기의 출력 전압을 변경하고 릴레이를 작동하며 충전 전류를 감소시킵니다. 그러나 배터리 출력 전압은 충전 상태뿐만 아니라 다른 요인에 따라 달라지므로 큰 충전 전류를 끈 후 약간의 전압 감소가 관찰되는 것은 드문 일이 아닙니다. 예를 들어, 전압이 수백 분의 12,55볼트(최대 XNUMXV)까지 떨어질 가능성이 높습니다. 이 경우 계획은 어떻게 작동합니까? 분명히 비교기는 다시 전환되고 높은 충전 전류 모드가 복원됩니다. 배터리 전압이 12,6V에 매우 가깝기 때문에 전류가 갑자기 증가하면 의심할 여지 없이 전압이 12,6V보다 높은 수준으로 급상승하여 릴레이가 다시 꺼집니다. 이러한 조건에서 비교기는 트립 전압 근처에서 앞뒤로 전환합니다. "yaw"라고 하는 이 바람직하지 않은 효과를 제거하기 위해 저항을 사용하여 증폭기에 작은 포지티브 피드백을 도입하여 히스테리시스 데드 존을 생성합니다. 히스테리시스를 사용하면 비교기가 작동하려면 이전보다 더 큰 전압 변화가 필요합니다. 이전과 마찬가지로 비교기는 12,6V에서 전환되지만 재설정하려면 배터리 전압이 12,5V로 떨어져야 진동 효과가 제거됩니다. 충전 회로의 다이오드 D1의 직렬 연결은 배터리를 보호하거나 어두운 곳(야간)에서 태양 전지를 통해 방전합니다. 이 다이오드는 또한 충전 조절기가 배터리에서 전원을 끌어오는 것을 방지합니다. 레귤레이터는 태양 전지로 완전히 구동됩니다. 표시 장치 언제든지 컨트롤러의 작동 모드를 표시하도록 설계된 표시기 장치가 충전 컨트롤러에 도입되었습니다. 표시기는 장치의 필수 부분은 아니지만 (조정기는 장치 없이도 작동함) 그럼에도 불구하고 표시기가 있으면 조정기 작업의 편의성이 높아집니다. 표시 장치(그림 3)는 두 개의 비교기와 두 개의 발광 다이오드(LED)로 구성됩니다. 한 비교기의 반전 입력과 다른 비교기의 비반전 입력은 기준 전압을 생성하는 제너 다이오드에 연결됩니다. 비교기의 나머지 입력은 충전 전류를 제어하는 비교기의 출력에 연결됩니다. 레귤레이터가 높은 충전 전류 모드에서 작동하면 상단 비교기가 트리거되어 LED LED1을 켭니다. 레귤레이터가 급전 전류 모드로 전환되면 상단 비교기가 꺼지고 하단 비교기가 활성화되어 LED LED2를 켭니다. 충전 레귤레이터 디자인 전하 조절기는 인쇄 회로 기판(그림 5)에 장착되며 회로 부품의 배치는 그림 6에 나와 있습니다. XNUMX. 반도체 소자의 배치에 특별한 주의를 기울여야 합니다(리드의 오접속을 방지하기 위해). 완성된 회로는 모든 케이스(가급적 방수)에 배치됩니다. 이러한 목적을 위해 작은 플라스틱 상자가 매우 적합합니다. 케이스가 불투명한 경우 작동 모드를 나타내기 위해 덮개에 LED용 구멍을 뚫습니다. 연결 도체의 출력을 위해 하우징 측면에 구멍을 뚫는 것도 필요합니다.
강력한 레귤레이터 설명된 조정기는 약 5A의 충전 전류를 제어할 수 있습니다. 그 값은 사용된 전자기 릴레이의 접촉기 속성에 의해 제한됩니다. 릴레이 접점의 정격 전류는 최대 3A이며 최대 5A를 사용하도록 권장하는 이유를 묻는 것은 매우 자연스러운 일입니다. 이에 대한 설명은 다음과 같습니다. 접점이 회로를 열면 일반적으로 접점 사이에 작은 전기 아크가 발생합니다. 아크는 전기 용접과 유사한 현상을 일으키고 접점 표면에 노치가 나타납니다. 흐르는 전류가 클수록 전기 아크의 영향이 강해집니다. 설명된 조정기의 회로에서 이러한 프로세스를 방지하기 위해 릴레이 접점은 작은 저항으로 분로됩니다. 따라서 에너지의 상당 부분이 전기 아크에서 소실되지 않고 저항에 의해 흡수됩니다. 따라서 접점은 파괴되지 않고 정격 전류를 초과하는 전류를 조절할 수 있습니다. 조정된 전류를 증가시켜야 하는 경우 그림과 같이 저전류 계전기의 접점으로 켜진 회로에서 더 강력한 계전기를 사용해야 합니다. 7.
두 번째 릴레이를 설치하려면 그에 따라 PCB 도면을 수정해야 합니다. 릴레이 접점으로 가는 점퍼를 제거하여 시작하십시오. 이렇게 하면 전류 제한 저항에서 접점이 분리됩니다. 이제 이 핀을 사용하여 더 강력한 릴레이를 구동하십시오. 또한 다이오드 D1과 전류 제한 저항 Rs를 고전류에 견딜 수 있는 다이오드와 저항으로 교체해야 합니다. 이 두 요소는 이전 회로 요소보다 더 많은 열을 발산하기 때문에 계전기 근처의 기판에서 두 요소를 배치하는 것이 더 합리적입니다. 두꺼운 전선을 사용하여 배터리와 태양 전지를 전원 릴레이에 직접 연결하고 얇은 전선을 사용하여 태양 전지의 양극 출력에서 레귤레이터 회로에 전원을 공급합니다. 저전력 레귤레이터 작은 태양 전지의 전기 에너지로는 계전기에 전원을 공급해도 충분하지 않은 경우가 있습니다. 그런 다음 릴레이를 트랜지스터로 간단히 교체할 수 있습니다. 이를 위해 릴레이 RL1과 이를 제어하는 트랜지스터 Q1을 제거하고 pnp 트랜지스터를 저항 Rs에 연결하고 베이스를 저항 R5에 연결할 수 있습니다. 무화과에. 도 8은 완전한 수정 후의 전기 회로를 보여준다.
비교기 출력의 전압이 양이면 트랜지스터가 켜지고 완전 충전 전류가 배터리로 흐릅니다. 레귤레이터가 부스트 충전 모드로 전환되면 비교기 출력이 음수가 되고 트랜지스터가 꺼지고 이제 충전 전류가 트랜지스터를 우회하여 Ra 저항을 통해서만 흐릅니다. 릴레이 회로에 비해 이 회로의 장점은 작동이 12V로 제한되지 않는다는 것입니다. 이 장치는 3-30V 정격 전압의 배터리 충전을 조절할 수 있습니다. 물론 값을 변경해야 합니다. 전위차계 VR2에 떨어지는 전압 값과 제너 다이오드에 대한 기준을 함께 가져 오기 위해 저항 및 R2 및 다이오드 D1 유형. 전류는 약 250mA로 제한됩니다. 인쇄 회로 기판 자체는 사용된 트랜지스터에서 과도한 열을 제거할 수 있는 방열판 역할을 합니다. 히트 싱크 패드는 보드 뒷면에 형성되어 절연이 필요하지 않습니다. 교정 레귤레이터를 연결하려면 XNUMX개의 연결만 하면 됩니다. XNUMX개 - 태양 전지판의 양극 단자와 음극 단자에 각각 XNUMX개, 배터리의 양극 단자와 음극 단자에 각각 XNUMX개. 충전기에 조정기를 설치한 후에는 회로를 보정해야 하며 특히 전류가 적시에 전환되도록 전압 변화에 대한 감도를 조정해야 합니다.이를 위해서는 먼저 배터리를 약간 방전시킵니다. 그런 다음 VR1 전위차계 슬라이더가 멈출 때까지 시계 방향으로 돌립니다(다이어그램에 따라 위쪽 위치로). 그러면 릴레이 접점이 닫힙니다. 재충전되는 동안 배터리의 전압은 전압계로 모니터링됩니다. 12,6V에 도달하면 전위차계 VR1 슬라이더가 릴레이가 꺼질 때까지 반대 방향으로 회전합니다. 이것은 "충전" 요금에 해당합니다. 불행하게도 배터리의 충전 전압은 온도에 따라 달라집니다. 배터리가 차가울수록 충전하는 데 더 많은 전압이 필요합니다. 이는 레귤레이터가 작동해야 하는 임계 전압을 변경합니다. 그림의 그래프. 도 9는 온도의 함수로서 응답 전압을 나타낸다.
트립 전압 설정 오류는 원칙적으로 무시할 수 있습니다. 충전 중 배터리 온도가 상대적으로 안정적이고 양수이면 예를 들어 잘 덮는 것과 같이 어떤 식 으로든 보장 할 수 있으며 작은 온도 변화는 실제로 레귤레이터 작동에 영향을 미치지 않습니다.
저자: 바이어스 T.
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