Carregador de bateria solar 12V SLA: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Algum tempo atrás, ganhei um "Lemon" de um ATV lado a lado. Basta dizer que há MUITO errado com isso. Em algum momento, decidi que "Ei, eu deveria apenas construir meu próprio carregador de bateria solar de alta potência apenas para manter a bateria barata e morta carregada enquanto os faróis estão ligados!" Eventualmente, isso evoluiu para a ideia de que "Ei, eu deveria usar essa merda de bateria para alimentar alguns projetos remotos que venho planejando!"

Assim nasceu o carregador de bateria solar "Lead Buddy".

Inicialmente, olhei para derivar meu design do "Sunny Buddy" do Sparkfun (daí onde obtive o nome), mas por acaso, percebi que um componente que já estava usando em outro projeto, na verdade tinha uma nota de aplicação sobre uso como um carregador de bateria solar (que eu perdi enquanto folheava a folha de dados anterior) - LTC4365 do dispositivo analógico! Não tem MPPT, mas hey, nem "Sunny Buddy" do Sparkfun (pelo menos não MPPT verdadeiro de qualquer maneira …). Então, como exatamente podemos consertar isso? Bem, caro leitor, você olha as notas do app !!! Especificamente, o AN1521 da Microchip "Guia prático para implementação de algoritmos MPPT de painel solar". Na verdade, é uma leitura bastante interessante e fornece vários métodos diferentes de implementação do controle MPPT. Você só precisa de dois sensores, um sensor de tensão (divisor de tensão) e um sensor de corrente, e você precisa exatamente de uma saída. Acontece que eu soube de um sensor de corrente especial que pode ser usado com um MOSFET N-Channel, chamado IR25750 da International Rectifier. Seu AN-1199 no IR25750 também é uma leitura interessante. Por fim, precisamos de um microcontrolador para conectar tudo e, como precisamos apenas de 3 pinos, insira o ATtiny10!

Etapa 1: escolha de peças, desenho esquemático

Agora que temos nossas 3 partes principais, devemos começar a escolher os vários outros componentes que precisam acompanhar nossos ICs. Nosso próximo componente importante são nossos MOSFETs, especificamente, para esta revisão (veja a última etapa para mais informações sobre isso), eu escolhi usar DOIS MOSFETs SQJB60EP Dual N-Channel. Um MOSFET é controlado exclusivamente pelo LTC4365, e o outro MOSFET é configurado de forma que um FET atue como um "diodo de lado baixo ideal" destinado à proteção de entrada reversa (Se você pesquisar isso no google, provavelmente não encontrará o notas de aplicação da TI e Maxim sobre o assunto, eu tive que cavar para isso.), enquanto o outro FET é controlado pelo cronômetro PWM de 16 bits do ATtiny10 (ou qualquer resolução que você escolher …). Em seguida, vêm nossos passivos, que honestamente não são tão importantes de listar. Eles consistem em resistores para programação de divisores de tensão / carregador e vários capacitores de bypass / armazenamento, apenas certifique-se de que seus resistores possam lidar com a energia dissipada por eles e que seus capacitores tenham tolerâncias de temperatura razoáveis (X5R ou melhor). É importante notar que, devido à forma como foi projetado, uma bateria DEVE ser instalada na placa para que ela funcione.

Eu configurei o LTC4365 para ser capaz de carregar baterias de 12 ou 24 V trocando um jumper (para fornecer 0,5 V ao pino OV do carregador quando a bateria é carregada em cerca de 2,387 V / célula para baterias de 12 V). O divisor de tensão do carregador também tem compensação de temperatura por meio de um resistor PTC de 5k que se conecta à placa por meio de um conector de 2,54 mm e se conecta à lateral da bateria com composto de revestimento termicamente condutor ou até mesmo fita adesiva. Também temos que usar alguns zeners em todo o projeto, ou seja, para conduzir o MOSFET de tensão reversa (bem como fornecer energia para o outro FET no caso de você não instalar os componentes do MPPT por meio de um jumper) e para proteger os LTC4365's pinos de sobretensão. Estaremos alimentando o ATtiny10 com um regulador automotivo de 5V classificado para entrada de 40V.

Fusíveis …

Uma coisa importante a notar, é que você deve SEMPRE ter fusíveis em suas entradas e saídas quando se trata de carregadores de bateria, e que você deve SEMPRE usar proteção OV em entradas de alta corrente (bateria IE). Entradas de baixa corrente não podem ter OVP implementado prontamente (IE- circuitos crowbar), pois muitas vezes não podem produzir corrente suficiente para desligar um disjuntor / fusível. Isso pode levar a uma situação fatal em que o TRIAC / SCR começará a superaquecer, potencialmente falhando, causando danos aos componentes da linha ou fazendo com que seu projeto exploda em chamas. Você deve ser capaz de fornecer corrente suficiente para realmente queimar o fusível em tempo hábil (o que nossa bateria de 12 V PODE fazer). Quanto aos fusíveis, optei pelo 0453003. MR da Littlefuse. É um fusível fantástico em um pacote SMD muito pequeno. Se você decidir ir com fusíveis maiores, como fusíveis de 5x20mm, POR FAVOR, PELO AMOR DE QUALQUER MAIOR PARA VOCÊ ORAR … Não use fusíveis de vidro. Os fusíveis de vidro podem estilhaçar quando explodem, enviando pedaços de metal fundido quente e vidro afiado por toda a placa, causando todos os tipos de danos no processo. SEMPRE use fusíveis de cerâmica, a maioria deles são preenchidos com areia para que quando explodirem não fritem sua prancha, ou sua casa (sem falar que a própria cerâmica também deve auxiliar na proteção, semelhante à armadura de cerâmica usada para proteger os veículos de combate modernos de ogivas de carga / JATOS DE PLASMA REALMENTE QUENTES). Ser capaz de "ver" aquele pequeno fio em seu fusível (que você pode não conseguir ver de qualquer maneira, especialmente se você for quase cego) não vale a pena ter uma pilha de carvão em brasa onde sua casa costumava ficar. Se você precisar testar seu fusível, use um multímetro para verificar sua resistência.

Proteção ESD

Já se foram os dias em que contávamos exclusivamente com varistores caros de US $ 5-10 para proteger nossos projetos eletrônicos. Você deve SEMPRE colocar alguns diodos TVS, ou de Supressão de Tensão Transiente. Não há literalmente razão para não o fazer. Qualquer entrada, especialmente uma entrada de painel solar, deve ser protegida contra ESD. No caso de um raio perto de seus painéis solares / qualquer pedaço de fio, aquele pequeno diodo TVS, combinado com um fusível, pode evitar que seu projeto seja danificado por qualquer tipo de ESD / EMP (que é um raio greve é, sorta….). Eles não são tão duráveis quanto os MOVs, mas certamente podem fazer o trabalho na maioria das vezes.

O que nos leva ao nosso próximo item, Intervalos de ignição. "O que são centelhadores?!?" Bem, os centelhadores são essencialmente apenas um traço que se estende em um plano de terra de um de seus pinos de entrada, que tem a máscara de solda removida e o plano de terra local e é exposto ao ar livre. Simplificando, permite que o ESD faça um arco direto em seu plano de aterramento (o caminho de menor resistência) e, com sorte, poupará seu circuito. Eles não custam absolutamente nada para adicionar, então você deve sempre adicioná-los onde puder. Você pode calcular a distância necessária entre o seu traço e o plano de terra para se proteger de alguma voltagem por meio da Lei de Paschen. Não vou discutir como calcular isso, mas basta dizer que um conhecimento geral de cálculo é aconselhável. Caso contrário, você deve estar bem com um espaço de 6-10mil entre o traço e o solo. Usar um traço arredondado também é aconselhável. Veja a foto que postei para uma ideia de como implementá-lo.

Planos terrestres

Não há razão para não usar um grande derramamento de solo na maioria dos projetos eletrônicos. Além disso, é extremamente desperdício não usar derramamentos de terra, pois todo o cobre terá que ser removido. Você já está pagando pelo cobre, pode muito bem não tê-lo poluindo as vias navegáveis da China (ou qualquer outro lugar) e colocá-lo em bom uso como seu plano de solo. Derramamentos incubados têm usos muito limitados na eletrônica moderna e raramente são usados para esse efeito, já que os derramamentos em solo sólido supostamente têm melhores qualidades para sinais de alta frequência, sem mencionar que eles são melhores na proteção de traços sensíveis E podem fornecer algum desvio capacitância com um plano "vivo" se você usar uma placa multicamadas. Também é importante observar que se você usar um forno de refluxo ou uma estação de retrabalho de ar quente, as conexões de plano de aterramento sólido para componentes passivos não são recomendadas, pois podem "lápides" quando refluído, pois o plano de aterramento tem mais massa térmica que tem que ser aquecido para que a solda derreta. Você certamente pode fazer isso se for cuidadoso, mas deve usar almofadas de alívio térmico ou o que a EasyEDA chama de "raios" para conectar a almofada de aterramento do componente passivo. Minha placa usa almofadas de alívio térmico, embora como estou soldando à mão, isso realmente não importa de qualquer maneira.

Na dissipação de calor …

Nosso carregador solar não deve dissipar muito calor, mesmo com sua corrente máxima projetada de 3A (dependente do fusível). Na pior das hipóteses, nosso SQJB60EP na resistência é 0,016mOhm a 4,5 V a 8A (SQJ974EP na minha segunda revisão, a 0,0325mOhm, veja minhas notas no final para mais informações). Usando a Lei de Ohms, P = I ^ 2 * R, nossa dissipação de energia é 0,144W a 3A (agora você vê porque usei MOSFETs de canal N para nosso MPPT e circuito de "diodo" de tensão reversa). Nosso regulador automotivo de 5 V também não deve dissipar muito, já que estamos consumindo no máximo algumas dezenas de miliamperes. Com uma bateria de 12 V, ou mesmo de 24 V, não devemos ver perda de energia suficiente no regulador para realmente ter que nos preocupar com o dissipador de calor, no entanto, de acordo com a excelente nota de aplicação da TI sobre o assunto, a maior parte de sua energia dissipada como calor irá conduzir de volta para o próprio PCB, pois é o caminho de menor resistência. Como exemplo, nosso SQJB60EP tem uma resistência térmica de 3,1C / W para a almofada de drenagem, enquanto a embalagem de plástico tem uma resistência térmica de 85C / W. O dissipador de calor é muito mais eficaz quando feito através da própria placa de circuito impresso, ou seja, projetando grandes planos para seus componentes que dissipam muito calor (transformando assim sua placa de circuito impresso em um espalhador de cabeça) ou direcionando as vias para o lado oposto da placa a partir de um plano menor na parte superior para permitir designs mais compactos. (O roteamento de vias térmicas para um plano no lado oposto da placa também torna possível conectar facilmente um dissipador de calor / slug na parte de trás da placa, ou fazer com que o calor seja dissipado através do plano de terra de outra placa quando conectado como um módulo.) Uma maneira rápida e suja de calcular quanta potência você pode dissipar com segurança de um componente é (Tj - Tamb) / Rθja = Potência. Para obter mais informações, recomendo fortemente que você leia a nota do aplicativo TI.

E finalmente…

Se você quiser ter seu projeto dentro de um contêiner, como planejo fazer, pois obviamente será usado fora, você deve sempre selecionar seu contêiner / caixa antes de colocar a placa para fora. No meu caso, eu escolhi EX-51 da Polycase e projetei minha placa como tal. Eu também projetei uma placa de "painel frontal", que se conecta aos "orifícios" acastelados da entrada solar, ou mais precisamente, slots (que cabem em uma placa de 1,6 mm de espessura). Solde-os juntos e você está pronto para ir. Este painel possui conectores à prova d'água da Switchcraft. Ainda não decidi se usarei um "painel frontal" ou um "painel traseiro", mas independentemente disso, também precisarei de um "prensa-cabo à prova d'água" para a entrada ou saída, bem como para o termistor da bateria. Além disso, meu carregador também pode ser instalado em uma placa como um módulo (daí os orifícios acastelados).

Etapa 2: Obtendo suas peças

Encomendar suas peças pode ser uma tarefa excruciante, considerando-se a quantidade de fornecedores que existem e considerando o fato de que pequenas peças são perdidas de tempos em tempos (ou seja, resistores, capacitores). Na verdade, perdi os resistores do circuito de carga da bateria de 24V. Felizmente, não usarei o circuito de carregamento de 24V.

Eu escolhi pedir meu PCB da JLCPCB, porque é muito barato. Eles também parecem ter mudado para um processo de "imagem fotográfica", o que deixa belas telas nítidas (e máscaras de solda) desde a última vez que fiz o pedido. Infelizmente, eles não oferecem mais frete grátis, então você terá que esperar uma ou duas semanas para obtê-lo, ou terá que pagar $ 20 + para que seja enviado via DHL…. Quanto aos meus componentes, optei pela Arrow, pois eles têm frete grátis. Eu só tive que comprar o termistor da Digikey, pois Arrow não tinha.

Normalmente, os passivos de tamanho 0603 são A-OK para soldar. Os componentes do tamanho 0402 podem ser difíceis e são facilmente perdidos, portanto, peça pelo menos o dobro do que você precisa. Sempre verifique se eles enviaram todos os seus componentes. Isso é especialmente importante se eles não consolidarem seu pedido e, em vez disso, enviarem 20 caixas diferentes por meio da FedEx.

Etapa 3: se preparando …

Preparando-se para soldar…. Você realmente não precisa de tantas ferramentas para soldar. Um ferro de solda barato, com potência moderada, fluxo, solda, pinças e recortes são tudo que você precisa. Você DEVE também ter um extintor de incêndio à mão e SEMPRE ter uma máscara pronta para filtrar os contaminantes transportados pelo ar liberados pelo fluxo, que é cancerígeno / tóxico.

Etapa 4: juntando tudo

Montar seu PCB é realmente simples. É basicamente "estanho uma almofada, solde um pino naquela aba e, em seguida, 'arraste' a solda do resto dos pinos". Você não precisa de um microscópio ou de uma estação de retrabalho sofisticada para soldar componentes SMD. Você nem mesmo precisa de uma lupa para nada maior do que os componentes 0603 (e às vezes 0402). Apenas certifique-se de que não haja pinos em ponte e de que não haja juntas frias. Se vir algo "engraçado", passe um pouco de fundente e bata com o ferro.

No que diz respeito ao fluxo, você provavelmente deve usar um fluxo sem limpeza, pois é seguro deixá-lo em sua placa. Infelizmente, é um saco limpá-lo de sua placa. Para limpar o fluxo 'não-limpo', retire o máximo de substâncias grandes que puder com um pouco de álcool isopropílico de alta qualidade, com concentração acima de 90%, e um cotonete. Em seguida, escove bem com uma escova de dentes velha (escovas de dentes / cabeças de escovas de dentes elétricas velhas funcionam perfeitamente). Finalmente, aqueça um pouco de água destilada para um banho de água quente. Você pode usar um pouco de detergente de louça se quiser (apenas certifique-se de que não estrague sua placa, não deve danificar nenhuma conexão nua em seu PCB, pois detergentes de louça são projetados para "anexar" a componentes orgânicos através do sistema hidrofóbico componente do sabão. A ação hidrofóbico-hidrofílica é fornecida pela estrutura do hidrocarboneto polar / apolar / alcalino de suas moléculas e pode ser lavada por meio do componente hidrofílico. Na verdade, o único problema é quando ele não é enxaguado corretamente com água destilada ou se for extremamente corrosiva). IFF, por algum milagre, você realmente remove todo o fluxo não limpo com álcool, e provavelmente não irá, você pode pular a lavagem de sua prancha de uma vez.

Depois de 30 minutos ou mais, a água quente deve quebrar o resto do resíduo pegajoso em sua placa, então você pode ir para a cidade com sua escova de dentes e tirar o resto. Enxágüe bem e deixe secar em uma torradeira ajustada para a configuração mais baixa, ou deixe secar pelo menos 24 horas ao ar livre. O ideal é usar uma torradeira ou uma pistola de ar quente barata da Harbor Freight mantida longe o suficiente para não fritar nada. Você também pode usar ar comprimido para o mesmo efeito.

Como uma observação lateral, tome cuidado ao escovar seus PCBs, pois você pode soltar componentes. Você não precisa pressionar com muita força, apenas o suficiente para colocar as cerdas entre os componentes.

Etapa 5: Painéis solares …