Regulátor s hysterezí zjednoduší návrh malých solárních systémů

Solární napájecí systémy s baterií pracující v rozsahu od 10 W až do 100 W pro řízení nabíjení svého akumulátoru často využívají spínané měniče. Těží přitom z výhody vysoké účinnosti a snadného sledování bodu maximálního výkonu, avšak za cenu indukčnosti, komplikovaného obvodového řešení a také rušení. V aplikacích přibližně do 20 W pak můžeme využít i jednodušší alternativy ke spínanému zdroji – lineárního řízení. Neruší a není vůbec složité, lineární prvky používané při nabíjení však budou generovat teplo, které potřebujeme odvádět pryč, tzn. musíme počítat s chladičem. Výslednými rozměry, náklady, nebo i složitějším osazováním chladiče proto do jisté míry zpochybňujeme výhody lineárního přístupu oproti spínanému regulátoru.

Chceme-li se však vyhnout indukčnostem, komplikovanému obvodovému řešení, rušení, nebo i chladičům, použijeme s výhodou hysterezní regulátor zjednodušující připojování a odpojování solárního panelu s ohledem na omezení stavu nabití baterie. Možné budou obě topologie hysterezního spínače, sériová a také „zkratovací“ (Shunt).

V případě sériové konfigurace po dosažení maximálního nabíjecího napětí článku přerušíme přívod k solárnímu panelu, abychom jej pak mohli znovu obnovit poté, co napětí na baterii klesne na svou nižší prahovou úroveň. Hlavní problém spojený se sériovou konfigurací však spočívá v buzení spínače na vyšší straně napájení, který vyžaduje buď nábojovou pumpu pro případ kanálu n, resp. budicí obvody hradla na vyšší straně napájení a s vyšším napětím (MOSFET s kanálem p).

Výhodnější zkratovací variantu pak zachycuje obr. 1. Klesne-li v tomto případě napětí na baterii pod určitou prahovou úroveň, spínač S₁ vypíná, a umožňuje tak proudu ze solárního panelu nabíjet baterii. Když pak napětí na akumulátoru překročí druhý vyšší práh, dochází k aktivaci spínače, který tak svádí proud solárního panelu k zemi. Při zkratu solárního článku spínačem S₁ oddělujeme baterii diodou D₁. Spínač jsme přitom jednoduše vyřešili MOSFETem s kanálem n, který budíme přímo z výstupu komparátoru vztaženého vůči zemi.

Obr. 1 Hysterezní spínač ve zkratovacím režimu řídí nabíjení akumulátoru „malého“ solárního systému

Kompletní regulátor nabíjení s funkcí zkratování vstupu vidíme pro 12V olověné akumulátory na obr. 2. Na pozici řídicího prvku bude stavět na 100 V monitorovacích obvodech napětí LTC2965 od společnosti Linear Technology s přívlastkem „micropower“. Přestože v našem zapojení s napětím 100 V nepracujeme, provozní rozsah obvodu LTC2965 v rozmezí od 3,5 V až do 100 V velkoryse pokryje běžný napěťový rozsah 12V baterie s více než dostatečnou rezervou.

Obr. 2 Schéma zapojení hysterezního regulátoru ve zkratovacím režimu.
Jednotlivé body jsou teplotně kompenzovány v rozsahu od 0 °C až do +50 °C

Struktura LTC2965 obsahuje dělič 10:1 s odporem přibližně 78 MΩ pro monitorování napětí baterie na vývodu V_IN. Prahové úrovně zde generujeme z přesné reference 2,412 V samostatným vnějším děličem a vše pak porovnáváme s již děleným napětím V_IN. Vyhneme se tak potřebě precizních rezistorů s vysokými velikostmi odporu hlavního děliče. Hysterezi zde řešíme přepínáním invertujícího vstupu komparátoru mezi vysokou a nízkou úrovní, přesně tak, jak je definují vývody INH a INL. S těmito spouštěcími body stanovujeme napětí, při kterých nabíjení baterie začíná a také končí.

Z dalších důležitých vlastností obvodu LTC2965 vybíráme nízkopříkonový provoz s celkovým proudovým odběrem 40 µA, a to včetně buzení hradla Q₁, interní referenci s přesností 0,5 % a také hysterezní činnost s nezávislým přizpůsobením prahových úrovní. Zapojení pracuje takto: s napětím baterie pod 13,7 V bude výstup komparátoru nejprve na nízké úrovni a tranzistor Q₁ vypnutý. Veškerý dostupný proud ze solárního panelu tak prochází diodou D₁ až do baterie a zátěže. S tím, jak se nyní baterie nabíjí, poroste i její napětí. Dostaneme-li se na horní limit pro nabíjení 14,7 V, tranzistor Q₁ sepne a zkratuje solární panel na zem. K oddělení akumulátoru od blokovací cesty slouží dioda D₁. Při sepnutém tranzistoru Q₁ bude napětí na baterii klesat rychlostí závisející na stavu nabití a také velikosti zatěžovacího proudu. Když pak napětí na baterii dosáhne spodního limitu 13,7 V, tranzistor Q₁ vypíná a proud z panelu opět teče do baterie a zátěže.

Právě popsaný postup nabíjení vykazuje určité prvky cyklického a také udržovacího nabíjení. Výchozí nabíjení pokračuje, dokud napětí na baterii nedosáhne 14,7 V, načež obvod začíná dobíjet pulzně s cílem dokončit celý proces. Pro danou aplikaci však musíme zvolit odpovídající velikost baterie a také solárního panelu. Obecné pravidlo hovoří o maximálním nebo „špičkovém“ proudu panelu na úrovni desetinásobku zatěžovacího proudu průměrovaného po dobu 24 hodin, zatímco kapacita baterie vyjádřená v jednotkách Ah bude odpovídat stonásobku této průměrné hodnoty. Špičkový proud 36článkového panelu odhadneme tak, že vydělíme jeho „obchodně“ udávané watty patnácti. V případě 15W panelu proto můžeme za příznivých podmínek očekávat maximální výstupní proud přibližně 1 A – potřebujeme to však ověřit měřením ve skutečném provozu.

Zmíněné vztahy byly odvozeny pro Milpitas (California) s cílem zajistit čtyřdenní provoz samostatného bateriového zdroje s panelem orientovaným tak, aby i v zimě dosáhl maximálního oslunění. Obvod dle obr. 2 byl navržen pro trvalou zátěž 100 mA, tj. 2,4 Ah/den, znamenající použití 1A panelu spolu s akumulátorem o kapacitě 10 Ah. Ten však bude dle obr. 2 poněkud menší, a umožní tak pracovat bez jakéhokoli zdroje světla přibližně tři dny. Prahové úrovně nabíjení jsou teplotně kompenzovány NTC termistorem v rozsahu od 0 °C až do +50 °C. V případě vyrovnaných podmínek okolí se bez teplotní kompenzace dokážeme obejít a termistor spolu s rezistorem 150 kΩ můžeme nahradit pevnou velikostí odporu 249 kΩ. Pro ty, kdo by si pak přáli ošetřit chyby vnášené rezistory s tolerancemi 1 %, přináší jednoduché řešení obr. 3. Prahovou úroveň nabíjení zde dostavujeme v rozmezí ±250 mV.

Obr. 3 Možnost dostavení v rozsahu ±250 mV; zapojíme k vývodům V_REF a INH dle obr. 2

Zatímco solární panely budou orientovány tak, aby za rok shromáždily maximální množství energie, samostatné systémy potřebujeme optimalizovat s ohledem na minimální sezónní oslunění, a přihlédnout přitom též k náhodným výkyvům počasí. V prvé řadě se bude jednat o orientaci solárního panelu, což je věda sama o sobě.

Teoretický výpočet ideální a pevně dané orientace bude docela jasný, do hry nám však v praxi vstupuje spousta dalších faktorů, včetně atmosférického rozptylu, mlhy, mraků, stínů, výšky nad horizontem apod., což přinejlepším vnáší do celé otázky pouze nepřesnosti. Pěkný přehled na toto téma najdete na www.solarpaneltilt.com.