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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽電池用バッテリー充電レギュレーター。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
太陽電池から直接様々な機器に電力供給が可能です。 ただし、このような太陽電池の簡単な接続は、太陽光がない場合にのみ可能であり、したがって電力供給が実際には望ましくない結果をもたらさない場合にのみ可能です。 多くの場合、電気製品や設備は太陽光がなくても動作する必要があります。 これを行うには、日中に生成された太陽エネルギーを後で使用できるようにバッテリーに保存する必要があります。 これらの目的に最も適しているのは鉛蓄電池です。 鉛蓄電池 鉛蓄電池は実際には、直列に接続されたいくつかの個別のセルで構成されています。 最大 2 V の電圧を発生する各要素には、弱硫酸溶液に置かれた XNUMX 枚の鉛板が含まれています。 電流がセルに流れると、可逆的な電気化学反応が起こり、電気エネルギーがセル内に保存され、必要に応じて後で使用できます。 一見シンプルそうに見えますが、実際にはバッテリーの充電プロセスは非常に複雑です。 鉛蓄電池はデリケートな電気機器であり、特に充電時には注意して取り扱う必要があります。 これを裏付けるために、典型的な充電サイクルのさまざまな段階を追ってみましょう。 電池の充電は、セルプレートに電圧が印加されると始まり、その結果、電流が流れ始めます。 これにより、プレートとバッテリーセルの電解質の化学組成が変化する電気化学反応が発生します。 この反応の速度は充電電流の大きさによって異なります。 電流が大きいほど反応は速く進みます。 最終的に、後で使用するためにセルに保存されるのは、この電流に関連する電荷です。 バッテリーには電荷がどんどん蓄積され、最終的には飽和状態になります。 基本的に、化学反応は安定化または平衡化され、それ以上の電荷の蓄積は停止します。 平衡は、バッテリーの放電サイクル中に鉛プレートによって硫酸溶液から吸収された硫酸イオンのほとんどがプレートから溶液に戻るときに発生します。 この場合、プレートは再び金属特性を獲得し、水溶液（電気分解に最適な媒体）に置かれた電極のように動作し始めます。 充電電流により、電解液中の水が元素成分 (水素と酸素) に分解され始めます。 このプロセスは、バッテリーのいわゆる「沸騰」を観察することで、その存在を知らなくても気づくことができます。 この用語は、電気分解中の気泡の泡立ちと沸騰の外観が類似しているため、誤って使用されます。 この効果をガス発生と呼ぶのがより正確です。 バッテリーがフル充電の約 70 ～ 80% になるとガス発生が始まります。 バッテリーが同じ速度で充電されていた場合、ガスの発生によりバッテリーセルが損傷したでしょう。 ただし、ガス放出を引き起こす電気分解の速度は、セルを流れる電流に比例します。 電流が低いほど、水の分解が遅くなり、ガスの発生も弱くなります。 ガス放出の兆候が現れたときに充電電流を減らすことで、ガス放出による壊滅的な影響を大幅に軽減できます。 完全に停止するのは電流が流れていない場合のみですが、電荷が蓄積されると電池の品質を劣化させないレベルまで充電電流量を低減できます。 充電の最終段階では、バッテリーは電流で充電されますが、その値は通常、初期充電電流のごく一部です。 この電流によりバッテリーがゆっくりと充電されるため、激しいガスの発生が防止されます。 バッテリーが完全に充電された後は、電源から切り離すことができます。 電解液中の不純物の存在と極板の化学組成の変化により、バッテリーセル内に内部電流が発生し、時間の経過とともに蓄積された電荷が減少します。 最終的にはバッテリーが自己放電します。 バッテリー充電レギュレーター 明らかに、バッテリーの充電に必要な電流はバッテリーセルの充電状態によって異なります。 これは、バッテリーの放電状態を評価し、それに応じて充電電流を制御する充電レギュレーターを作成する必要があることを意味します。 鉛酸バッテリーを充電するには 1 つの方法があります。 太陽電池から充電する場合、XNUMX 段階の充電サイクルを使用するのが最適な方法です (図 XNUMX)。
まず、バッテリーが完全に放電したと仮定します。 要素に電流を流し始めましょう。 バッテリの充電サイクルは、太陽電池による有効電力の生成期間に対応する必要があるため、バッテリは可能な限り短い時間で充電されることが望ましい。 最適な充電モードは、バッテリーの充電開始から約 4 時間後にガスの発生が始まるモードです。 この時間は、日照時間中の太陽放射の最大強度に相当し、通常は 10 ～ 14 時間の範囲であり、季節の変化や気象条件に関係なく、太陽電池からの最大の収益が達成できるのはこの時間帯です。 この充電時間は、もちろん太陽電池がそのような電流を受け取ることができる場合、バッテリー容量 20 Ah ごとに 100 A の充電電流に数値的に相当します。 たとえば、75Ah バッテリーは 15A で充電する必要があります。 一定速度で 4 時間充電すると、ガス発生が始まる前にバッテリーはフル充電の 80% になります。 次のステップは、充電電流をより低いレベルまで下げることです。 この電流の値は通常、バッテリー容量の 2 ～ 5% です。 例として、容量が 75 Ah のバッテリーの場合、充電の最終段階での充電電流は 1,5 ～ 3,75 A になります。選択した電流に応じて、バッテリーの最終充電にはさらに 4 ～ 10 時間かかります。バッテリー。 この速度では、バッテリーを完全に充電するには XNUMX 日以上かかります。 ただし、高度なパワーデバイスでは、バッテリーは通常、動作時間のほとんどで完全に充電された状態にあり、完全に放電することは非常にまれです。 バッテリーのバックアップ（補償）充電 バッテリーの最終充電後、予備（補償）再充電電流を追加で流すことをお勧めします。 この電流の値は通常、バッテリーの総容量の 1 ～ 2% です。 この追加のバッテリ充電の第 XNUMX 段階により、充電レギュレータの設計が複雑になります。 最終電流またはバックアップ充電電流と同じ電流を使用し、2 番目と XNUMX 番目の充電段階を組み合わせることで、この状況から抜け出すことができます。その値はバッテリー容量の XNUMX% です。 その結果、レギュレータの設計が簡素化され、信頼性が向上します。 レギュレーターの設計 上記の充電電流要件を満たす充電レギュレータの通常の動作のためには、バッテリの充電状態を常に知る必要があります。 幸いなことに、バッテリー自体がこの問題を解決する鍵となります。バッテリーに蓄えられた電荷量とバッテリー両端の電圧との間には確立された関係があります。 図からわかるように。 2 に示すように、この関係はほとんど常に線形です。
私たちが関心のある充電領域は、バッテリーのフル充電の 70 ～ 80% の範囲内にあります。 この充電度に達するとガスの発生が始まり、充電電流を変更する必要があります。 12 ボルトのバッテリーの場合、この時点の電圧は 12,6 V です。完全に充電されたバッテリーの電圧は 13,2 V になります。 バッテリーの電圧を決定することで、充電電流を調整できます。 電圧が 12,6 V 未満の場合、バッテリー セルの充電量は 80% 未満となり、レギュレータはフル充電電流を供給します。 バッテリーの電圧が 12,6 V を超えると、充電電流を充電電流のレベルまで下げる必要があります。 バッテリーの電圧は特別なデバイス (コンパレーター) によって監視されますが、これは非常に高いゲインを備えた従来のアンプにすぎません。 実際、図に示す回路に含まれるコンパレータは、 図３の回路はオペアンプとして使用できる。
コンパレータは、入力に供給される 2 つの電圧 (測定電圧と基準電圧) を比較します。 コンパレータの反転入力(-)にはツェナーダイオードDXNUMXから基準電圧が供給されます。 この電圧はデバイスのトリガーレベルを設定します。 バッテリ電圧は、ダイオード D1 の安定化電圧とほぼ等しくなるように、抵抗 R2 と R2 によって分圧されます。 抵抗で分圧された電圧は、スイッチングしきい値を微調整するために、ポテンショメータのスライダからコンパレータの非反転入力 (+) に印加されます。 バッテリ電圧が低下しすぎて、非反転入力の信号がダイオード D2 によって決定される制限値を下回ると、コンパレータの出力に負の電圧が発生します。 バッテリ電圧が基準電圧よりも上昇すると、コンパレータ出力は正になります。 コンパレータの出力における電圧の符号を切り替えることにより、充電電流の必要な調整が行われます。 充電レギュレータの動作原理 充電電流は電磁リレーによって調整されます。 リレーは、コンパレータの出力電圧によってトランジスタ QI を介して制御されます。 コンパレータの出力における負の電圧は、バッテリが放電されており、フル充電電流が必要であることを意味します(トランジスタQ1が閉じている)。 したがって、コレクタ電流はゼロになり、リレーはオフになります。 ノーマルクローズのリレー接点は、電流制限抵抗器 Rs を分路します。 リレーがオフになると、回路から抵抗が取り除かれ、太陽電池からの全電流がバッテリーに流れます。 充電状態が増加すると、バッテリーの電圧が増加します。 電圧が 12,6 V に達するとガスの発生が始まります。このレベルに設定されたコンパレータは切り替わります (コンパレータの出力が正)。 トランジスタが開き、コレクタ電流によってリレーがオンになります。 抵抗器 Rs を分流したリレー接点が開いています。
ここで、太陽電池からの充電電流は制限抵抗の抵抗を克服する必要があります。 この抵抗の値は、充電電流の値がバッテリー容量の 2% になるように選択されます。 図の表では。 図4はバッテリーの容量に応じたRsの値を示しています。 コンパレータのスイッチング電圧にはある程度の不確実性があります。 たとえば、バッテリの電圧が 12,6 V に上昇し、しきい値を超えたとします。 通常の状態では、これによりコンパレータの出力電圧が変化し、リレーが作動して充電電流が減少します。 ただし、バッテリーの出力電圧は充電状態だけでなく他の要因にも依存するため、大きな充電電流をオフにした後に電圧がわずかに低下することが観察されることは珍しくありません。 たとえば、電圧が 12,55 分の XNUMX ボルト (最大 XNUMX V) 低下する可能性が非常に高くなります。 この場合、スキームはどのように機能するのでしょうか? 明らかに、コンパレータはスイッチバックし、高充電電流モードに戻ります。 バッテリー電圧は 12,6V に非常に近いため、電流が急激に増加すると間違いなく電圧が 12,6V を超えるレベルまで上昇し、その結果リレーが再びオフになります。 このような条件下では、コンパレータはトリップ電圧付近で前後に切り替わります。 「ヨー」と呼ばれるこの望ましくない効果を除去するために、抵抗を使用して小さな正のフィードバックがアンプに導入され、ヒステリシスのデッドバンドが作成されます。 ヒステリシスがあると、コンパレータが動作するには以前よりも大きな電圧変化が必要になります。 前と同様に、コンパレータは 12,6 ボルトで切り替わりますが、リセットするにはバッテリ電圧が 12,5 ボルトに低下する必要があり、これにより発振効果が排除されます。 充電回路内のダイオード D1 の直列接続は、暗闇 (夜間) でのバッテリーまたは太陽電池による放電を保護します。 このダイオードは、充電レギュレータがバッテリから電力を引き出すことも防ぎます。 レギュレータは太陽電池によって完全に電力供給されます。 指示装置 インジケーターデバイスが充電コントローラーに導入されており、コントローラーの動作モードをいつでも表示できるように設計されています。 インジケーターはデバイスの必須部分ではありませんが（レギュレーターはインジケーターがなくても機能します）、それにもかかわらず、インジケーターの存在により、レギュレーターを使用する際の利便性が向上します。 表示装置 (図 3) は XNUMX つのコンパレータと XNUMX つの発光ダイオード (LED) で構成されます。 一方のコンパレータの反転入力と他方の非反転入力は、基準電圧を生成するツェナー ダイオードに接続されています。 コンパレータの残りの入力は、充電電流を制御するコンパレータの出力に接続されます。 レギュレータが高充電電流モードで動作すると、上部コンパレータがトリガされ、LED LED1 が点灯します。 レギュレータが給電モードに切り替わると、上側のコンパレータがオフし、下側のコンパレータが動作して LED LED2 が点灯します。 充電レギュレーターの設計 充電レギュレータはプリント基板 (図 5) に実装されており、その上の回路部品の配置は図 6 に示されています。 XNUMX. 半導体素子の配置には特に注意してください（リード線の誤接続を避けるため）。 完成した回路は、（できれば防水の）ケースに入れます。 これらの目的には、小さなプラスチックの箱が非常に適しています。 ケースが不透明な場合は、動作モードを示すためにカバーに LED 用の穴を開けます。 接続導体出力用の穴を筐体側面に開ける必要もあります。
強力なレギュレーター 説明されているレギュレータは、約 5 A の充電電流を制御できます。その値は、使用される電磁リレーの接触器の特性によって制限されます。 リレー接点の定格電流は最大 3 A ですが、なぜ最大 5 A まで使用することが推奨されるのかと疑問に思うのはごく自然なことです。これは次のように説明できます。 接点が回路を開くと、通常、接点間に小さな電気アークが発生します。 アークにより電気溶接と同様の現象が起こり、接点の表面に切れ込みが生じます。 流れる電流が大きくなるほど、電気アークの影響も強くなります。 説明したレギュレータの回路でこのようなプロセスを防ぐために、リレー接点は小さな抵抗で分路されています。 したがって、エネルギーのかなりの部分は抵抗器によって吸収され、電気アークでは散逸されません。 したがって、接点は破壊されることなく、定格電流を超える電流を調整できます。 安定化電流を増やす必要がある場合は、図に示すように、回路内で低電流リレーの接点によってオンになる、より強力なリレーを使用する必要があります。 7。
XNUMX 番目のリレーを取り付けるには、それに応じて PCB 図面を変更する必要があります。 まず、リレー接点に接続されているジャンパーを取り外します。 これにより、接点が電流制限抵抗器から切り離されます。 これらのピンを使用して、より強力なリレーを駆動します。 また、ダイオード D1 と電流制限抵抗 Rs を大電流に耐えられるダイオードと抵抗に置き換える必要があります。 これらの要素は前の回路要素よりも多くの熱を放散するため、これらの要素を両方ともリレーの近くの基板から外して配置する方が合理的です。 太いワイヤを使用してバッテリと太陽電池をパワーリレーに直接接続し、細いワイヤを使用して太陽電池のプラス出力からレギュレータ回路に電力を供給します。 低消費電力レギュレータ 小型の太陽電池の電力量だけではリレーに電力を供給するのにも不十分な場合があります。 そうすれば、リレーをトランジスタに置き換えるだけで済みます。 この目的を達成するには、リレー RL1 とそれを制御するトランジスタ Q1 を取り外し、pnp トランジスタを抵抗 Rs に接続し、そのベースを抵抗 R5 に接続します。 図上。 図 8 は、完全な変更後の電気回路を示しています。
コンパレータの出力の電圧が正の場合、トランジスタがオンになり、完全な充電電流がバッテリに流れます。 レギュレータがブースト充電モードに切り替わると、コンパレータ出力は負になり、トランジスタはオフになり、充電電流はトランジスタをバイパスして Ra 抵抗のみを流れるようになります。 リレー回路に対するこの回路の利点は、その動作が 12 V に限定されないことです。このデバイスは、定格電圧 3 ～ 30 V のバッテリーの充電を調整できます。もちろん、値を変更する必要があります。ポテンショメータ VR2 にかかる電圧の値とツェナー ダイオードの基準をまとめるために、抵抗器と R2、ダイオード D1 の種類を決定します。 電流は約 250 mA に制限されます。 プリント基板自体がヒートシンクとして機能し、使用済みのトランジスタから余分な熱を取り除くことができます。 ヒートシンクパッドは基板の裏側に形成されているため、絶縁は必要ありません。 Калибровка レギュレータを接続するために必要な接続は XNUMX つだけです。 XNUMX つは太陽電池アレイの正端子と負端子に、XNUMX つはそれぞれバッテリーの正端子と負端子に接続されます。 レギュレータを充電器に取り付けた後、適切な瞬間に電流が切り替わるように、回路を校正し、特に電圧変化に対する感度を調整する必要があります。これを行うには、まずバッテリーをわずかに放電させます。 次に、VR1 ポテンショメータのスライダを時計回りに止まるまで (図によれば、上の位置まで) 回します。 その後、リレー接点が閉じます。 充電中のバッテリーの電圧は電圧計で監視されます。 12,6 V に達すると、リレーがオフになるまでポテンショメータ VR1 スライダが逆方向に回転します。 これが「リチャージ」料金に相当します。 残念ながら、バッテリーの充電電圧は温度にも依存します。 バッテリーが冷えるほど、充電に必要な電圧が高くなります。 これにより、レギュレータが動作する閾値電圧が変化します。 図のグラフ。 図９は、温度の関数として応答電圧を示す。
トリップ電圧設定の誤差は原則として無視できます。 充電中のバッテリーの温度が比較的安定してプラスである場合（バッテリーをしっかり覆うなど、何らかの方法で保証できる場合）、小さな温度変化はレギュレーターの動作に実質的に影響を与えません。
著者：バイヤーズT。
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