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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Regulador de carga de batería para células solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La fuente de alimentación de varios dispositivos es posible directamente desde las células solares. Sin embargo, una conexión tan simple de células solares solo es posible si la ausencia de luz solar y, por lo tanto, la fuente de alimentación prácticamente no tiene consecuencias indeseables. En muchos casos, es necesario que los aparatos y equipos eléctricos funcionen incluso en ausencia de luz solar. Para ello, es necesario almacenar la energía solar generada durante el día en baterías para su uso posterior. Las más adecuadas para estos fines son las baterías de plomo-ácido. Baterías de plomo ácido Las baterías de plomo-ácido en realidad están formadas por varias celdas individuales conectadas en serie. Cada elemento, que desarrolla un voltaje de hasta 2 V, contiene dos placas de plomo colocadas en una solución débil de ácido sulfúrico. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la celda, tiene lugar una reacción electroquímica reversible y la energía eléctrica se almacena en la celda, que, si es necesario, se puede utilizar más tarde. A pesar de la aparente sencillez, en realidad, el proceso de carga de una batería es bastante complicado. La batería de plomo-ácido es un dispositivo eléctrico sensible que debe manipularse con cuidado, especialmente durante la carga. Para apoyar esto, sigamos las diversas etapas de un ciclo de carga típico. La carga de la batería comienza cuando se aplica voltaje a las placas de la celda, como resultado de lo cual una corriente eléctrica comienza a fluir a través de ella. Conduce a la ocurrencia de una reacción electroquímica que cambia la composición química de las placas y el electrolito de la celda de la batería. La velocidad de esta reacción depende de la magnitud de la corriente de carga. Cuanto mayor sea la corriente, más rápido procederá la reacción. En última instancia, es la carga asociada con esta corriente la que se almacena en la celda para su uso posterior. La batería acumula más y más carga y eventualmente se satura. Esencialmente, la reacción química se estabiliza o equilibra y cesa la acumulación de carga adicional. El equilibrio ocurre cuando la mayoría de los iones de sulfato que fueron absorbidos de la solución de ácido sulfúrico por las placas de plomo durante el ciclo de descarga de la batería regresan de las placas a la solución. En este caso, las placas vuelven a adquirir propiedades metálicas y comienzan a comportarse como electrodos colocados en una solución acuosa (un medio excelente para la electrólisis). La corriente de carga comienza a descomponer el agua del electrolito en componentes elementales (hidrógeno y oxígeno). Este proceso se puede notar sin siquiera saber de su existencia, al observar el llamado "ebullición" de la batería. Este término se utiliza erróneamente debido a la similitud externa del burbujeo de las burbujas de gas durante la electrólisis con la ebullición. Es más correcto llamar a este efecto evolución de gas. La gasificación comienza cuando la batería tiene alrededor del 70-80% de su carga completa. Si la batería se hubiera cargado al mismo ritmo, la gasificación habría dañado las celdas de la batería. Sin embargo, la tasa de electrólisis que provoca la desgasificación es proporcional a la corriente que fluye a través de la celda. Cuanto más baja es la corriente, más lentamente se descompone el agua y más débil es la evolución del gas. Puede reducir significativamente los efectos devastadores de la desgasificación reduciendo la corriente de carga cuando aparecen signos de desgasificación. Aunque se detiene por completo solo en ausencia de corriente, la cantidad de corriente de carga se puede reducir a tal nivel que la calidad de la batería no se degrada cuando se acumula la carga. En la última etapa de la carga, la batería se carga con una corriente cuyo valor suele ser una pequeña parte de la corriente de carga inicial. Esta corriente carga lentamente la batería y, por lo tanto, evita el desprendimiento intenso de gas. Una vez que la batería esté completamente cargada, se puede desconectar de la fuente de alimentación. Debido a la presencia de impurezas en el electrolito y cambios en la composición química de las placas, surgen corrientes internas en las celdas de la batería, que reducen la carga acumulada con el tiempo. Eventualmente, la batería se autodescargará. Reguladores de carga de batería Obviamente, la corriente requerida para cargar la batería depende del estado de carga de las celdas de la batería. Esto implica la necesidad de crear un regulador de carga que evalúe el estado de descarga de la batería y, en función del mismo, controle la corriente de carga. Hay tres formas de cargar baterías de plomo-ácido. Cuando se carga desde celdas solares, el método más adecuado es con un ciclo de carga de dos etapas (Fig. 1).
En primer lugar, supongamos que la batería está completamente descargada. Comencemos a pasar corriente a través de los elementos. Dado que el ciclo de carga de la batería debe corresponder al período de generación de energía eléctrica útil por parte de las células solares, es deseable que la batería se cargue en el menor tiempo posible. El modo de carga óptimo será aquel en el que la evolución del gas comenzará aproximadamente 4 horas después del inicio de la carga de la batería. Este tiempo corresponde a la mayor intensidad de radiación solar durante el día, generalmente en el rango de 10 a 14 horas Independientemente de los cambios estacionales y las condiciones climáticas, es en este momento del día cuando se puede lograr el máximo rendimiento de las células solares. Este tiempo de carga corresponde numéricamente a una corriente de carga de 20 A por cada 100 Ah de capacidad de la batería, si, por supuesto, las células solares permiten recibir tal corriente. Por ejemplo, una batería de 75 Ah debe cargarse con 15 A. Después de una carga de 4 horas a un ritmo fijo, la batería tendrá el 80 % de su carga completa antes de que comience la gasificación. El siguiente paso es reducir la corriente de carga a un nivel más bajo. El valor de esta corriente suele ser del 2-5% de la capacidad de la batería. Para una batería con una capacidad de 75 Ah tomada como ejemplo, la corriente de carga en la etapa final de carga puede ser de 1,5 a 3,75 A. Dependiendo de la corriente seleccionada, tomará otras 4 a 10 horas para la carga final de la batería. batería. A esta velocidad, se tarda más de un día en cargar completamente la batería. Sin embargo, en los dispositivos de potencia avanzados, las baterías suelen estar completamente cargadas la mayor parte del tiempo de funcionamiento, y es extremadamente raro que se descarguen por completo. Recarga de respaldo (compensación) de baterías Después de la carga final de la batería, se recomienda aplicarle adicionalmente una corriente de recarga de reserva (compensación). El valor de esta corriente suele ser del 1-2% de la capacidad total de la batería. Esta tercera etapa adicional de carga de la batería complica el diseño del regulador de carga. Puede salir de la situación combinando la segunda y la tercera etapa de carga, utilizando la misma corriente que la corriente final o la corriente de carga de respaldo, cuyo valor es el 2% de la capacidad de la batería. Como resultado, se simplifica el diseño del regulador y aumenta su fiabilidad. Diseño del regulador Para el funcionamiento normal del regulador de carga, que cumple con los requisitos de corriente de carga enumerados anteriormente, es necesario conocer el estado de carga de la batería en cualquier momento. Afortunadamente, la batería en sí proporciona la clave para resolver este problema: existe una relación bien establecida entre la cantidad de carga almacenada en la batería y el voltaje a través de ella. Como puede verse en la fig. 2, esta relación es casi siempre lineal.
El área de carga que nos interesa se encuentra dentro del 70-80% de la carga completa de la batería. Es cuando se alcanza este grado de carga que comienza el desprendimiento de gas y es necesario cambiar la corriente de carga. Para una batería de 12 voltios, el voltaje en este punto es de 12,6 V. Una batería completamente cargada desarrolla un voltaje de 13,2 V. Al determinar el voltaje en la batería, puede ajustar la corriente de carga. Si el voltaje es inferior a 12,6 V, las celdas de la batería contienen menos del 80 % de la carga y el regulador proporciona la corriente de carga completa. Cuando el voltaje de la batería supera los 12,6 V, es necesario reducir la corriente de carga al nivel de la corriente de carga. El voltaje de la batería es monitoreado por un dispositivo especial (comparador), que no es más que un amplificador convencional con una ganancia muy alta. De hecho, el comparador incluido en el circuito que se muestra en la Fig. 3 se puede utilizar como amplificador operacional.
El comparador compara dos voltajes, medido y de referencia, suministrados a sus entradas. La entrada inversora del comparador (-) recibe un voltaje de referencia del diodo zener D2. Este voltaje establece el nivel de activación del dispositivo. El voltaje de la batería se divide entre las resistencias R1 y R2 para que sea aproximadamente igual al voltaje de estabilización del diodo D2. El voltaje dividido por las resistencias se aplica a la entrada no inversora (+) del comparador desde el control deslizante del potenciómetro para un ajuste fino del umbral de conmutación. Si el voltaje de la batería disminuye tanto que la señal en la entrada no inversora cae por debajo del límite determinado por el diodo D2, se establecerá un voltaje negativo en la salida del comparador. Si el voltaje de la batería supera el voltaje de referencia, la salida del comparador será positiva. Cambiar el signo del voltaje en la salida del comparador proporcionará la regulación necesaria de la corriente de carga. El principio de funcionamiento del regulador de carga. La corriente de carga está regulada por un relé electromagnético. El relé es controlado a través del transistor QI por el voltaje de salida del comparador. Un voltaje negativo en la salida del comparador significa que la batería está descargada y se requiere corriente de carga completa (el transistor Q1 está cerrado). Por lo tanto, la corriente del colector es cero y el relé se apaga. Los contactos de relé normalmente cerrados derivan la resistencia limitadora de corriente Rs. Cuando el relé se apaga, la resistencia se retira del circuito y toda la corriente de las celdas solares va a la batería. A medida que aumenta el estado de carga, aumenta el voltaje de la batería. El desprendimiento de gas comienza cuando la tensión alcanza los 12,6 V. El comparador, ajustado a este nivel, conmuta (positivo a la salida del comparador). El transistor se abre y la corriente del colector enciende el relé. Los contactos del relé que desviaron la resistencia Rs se abren.
Ahora la corriente de carga de las células solares debe superar la resistencia de la resistencia limitadora. El valor de esta resistencia se elige de modo que el valor de la corriente de carga sea el 2% de la capacidad de la batería. En la tabla de la fig. 4 muestra los valores de Rs en función de la capacidad de la batería. Existe cierta incertidumbre en torno al voltaje de conmutación del comparador. Deje, por ejemplo, que el voltaje de la batería aumente a 12,6 V, superando el umbral. En condiciones normales, esto cambiará el voltaje de salida del comparador, activará el relé y disminuirá la corriente de carga. Sin embargo, el voltaje de salida de la batería depende no solo del estado de carga, sino también de otros factores y, por lo tanto, no es raro observar una ligera disminución en el voltaje después de apagar una gran corriente de carga. Es bastante probable, por ejemplo, que la tensión caiga varias centésimas de voltio (hasta 12,55 V). ¿Cómo funcionará el esquema en este caso? Obviamente, el comparador volverá a cambiar y se restablecerá el modo de alta corriente de carga. Dado que el voltaje de la batería está muy cerca de 12,6 V, un aumento repentino en la corriente sin duda hará que el voltaje suba a un nivel superior a 12,6 V. Como resultado, el relé se apagará nuevamente. En estas condiciones, el comparador cambiará de un lado a otro cerca del voltaje de disparo. Para eliminar este efecto indeseable, llamado "guiñada", se introduce una pequeña retroalimentación positiva en el amplificador usando una resistencia, creando una zona muerta de histéresis. Con histéresis, el comparador requiere un cambio de voltaje mayor que antes para operar. Como antes, el comparador cambiará a 12,6 V, pero para que se reinicie, el voltaje de la batería debe caer a 12,5 V. Esto elimina el efecto oscilante. La conexión en serie del diodo D1 en el circuito de carga protege la batería o descarga a través de las células solares en la oscuridad (por la noche). Este diodo también evita que el regulador de carga extraiga energía de la batería. El regulador está totalmente alimentado por células solares. dispositivo indicador Se introduce un dispositivo indicador en el controlador de carga, diseñado para mostrar el modo de funcionamiento del controlador en cualquier momento. Aunque el indicador no es una parte necesaria del dispositivo (el regulador funcionará sin él), sin embargo, su presencia aumenta la comodidad de trabajar con el regulador. El dispositivo indicador (Fig. 3) consta de dos comparadores y dos diodos emisores de luz (LED). La entrada inversora de un comparador y la entrada no inversora del otro están conectadas a un diodo zener que genera un voltaje de referencia. Las entradas restantes de los comparadores están conectadas a la salida del comparador que controla la corriente de carga. El comparador superior se activa y enciende el LED LED1 cuando el regulador opera en modo de corriente de carga alta. Si el regulador cambia al modo de corriente de alimentación, el comparador superior se apaga y el comparador inferior se activa y enciende el LED LED2. Diseño del regulador de carga El regulador de carga está montado en una placa de circuito impreso (Fig. 5), cuya ubicación de los componentes del circuito se muestra en la Fig. 6. Se debe prestar especial atención a la colocación de elementos semiconductores (para evitar una conexión errónea de los cables). El circuito terminado se coloca en cualquier estuche (preferiblemente impermeable). Para estos fines, una pequeña caja de plástico es bastante adecuada. Si la carcasa es opaca, para indicar los modos de funcionamiento, perfore un orificio para los LED en su tapa. También es necesario hacer un orificio en el costado de la carcasa para la salida de los conductores de conexión.
Potentes reguladores El regulador descrito puede controlar una corriente de carga de unos 5 A. Su valor está limitado por las propiedades del contactor del relé electromagnético utilizado. Los contactos del relé están clasificados para una corriente de hasta 3 A, y es bastante natural preguntarse por qué se recomienda usarlos hasta 5 A. A esto se le puede dar la siguiente explicación. Cuando los contactos abren un circuito, suele producirse un pequeño arco eléctrico entre ellos. El arco conduce a fenómenos similares a la soldadura eléctrica y aparecen muescas en la superficie de los contactos. Cuanto mayor sea la corriente que fluye, más fuerte será el efecto del arco eléctrico. Para evitar tal proceso en el circuito del regulador descrito, los contactos del relé se derivan con una pequeña resistencia. Por lo tanto, una parte significativa de la energía es absorbida por la resistencia y no disipada en el arco eléctrico. Así, los contactos, sin ser destruidos, pueden regular corrientes superiores a la corriente nominal. Si se requiere aumentar la corriente regulada, es necesario utilizar un relé más potente en el circuito, encendido por los contactos de un relé de baja corriente, como se muestra en la fig. 7.
Para instalar un segundo relé, el dibujo de la placa de circuito impreso debe modificarse en consecuencia. Comience quitando los puentes que van a los contactos del relé. Esto desconecta los contactos de la resistencia limitadora de corriente. Ahora use estos pines para impulsar un relé más potente. También es necesario reemplazar el diodo D1 y la resistencia limitadora de corriente Rs con un diodo y una resistencia capaces de soportar altas corrientes. Tiene más sentido colocar ambos elementos fuera del tablero cerca del relé, ya que disipan más calor que los elementos del circuito anterior. Conecte la batería y las celdas solares directamente al relé de potencia usando cables gruesos y use alambres delgados para alimentar el circuito regulador desde la salida positiva de las celdas solares. Regulador de baja potencia Puede darse el caso de que la energía eléctrica de una pequeña batería solar no sea suficiente ni siquiera para alimentar el relé. Entonces el relé simplemente puede ser reemplazado por un transistor. Para ello, puede quitar el relé RL1 y el transistor Q1 que lo controla y conectar un transistor pnp a la resistencia Rs y su base a la resistencia R5. En la fig. 8 muestra el circuito eléctrico después de la modificación completa.
Cuando el voltaje en la salida del comparador es positivo, el transistor se enciende y la corriente de carga completa fluye hacia la batería. Cuando el regulador cambia al modo de carga de refuerzo, la salida del comparador se vuelve negativa, el transistor se apaga y la corriente de carga ahora fluye solo a través de la resistencia Ra, sin pasar por el transistor. La ventaja de este circuito sobre el circuito de relé es que su funcionamiento no se limita a 12 V. El dispositivo puede regular la carga de baterías clasificadas para voltajes de 3-30 V. Por supuesto, es necesario cambiar los valores. de las resistencias y R2 y el tipo de diodo D2 para reunir los valores de la tensión que cae sobre el potenciómetro VR1 y la referencia sobre el diodo zener. La corriente está limitada a unos 250 mA. La placa de circuito impreso en sí sirve como disipador de calor que le permite eliminar el exceso de calor del transistor usado. La almohadilla del disipador de calor se forma en el reverso de la placa y no requiere ningún tipo de aislamiento. Калибровка Solo se necesitan cuatro conexiones para conectar el regulador. Dos: a los terminales positivo y negativo del panel solar y dos, respectivamente, a los terminales positivo y negativo de la batería. Después de instalar el regulador en el cargador, es necesario calibrar el circuito y, en particular, ajustar su sensibilidad a los cambios de voltaje para que la corriente cambie en el momento adecuado.Para ello, primero deje que la batería se descargue ligeramente. Luego, la corredera del potenciómetro VR1 se gira en el sentido de las agujas del reloj hasta que se detiene (según el diagrama, a la posición superior). A continuación, los contactos del relé se cerrarán. El voltaje de la batería a medida que se recarga se controla con un voltímetro. Cuando llega a 12,6 V, la corredera del potenciómetro VR1 gira en sentido contrario hasta que el relé se apaga. Esto corresponderá al cargo de "recarga". Desafortunadamente, el voltaje de carga de una batería también depende de su temperatura. Cuanto más fría esté la batería, más voltaje se requiere para cargar. Esto cambia el voltaje de umbral al que debe operar el regulador. El gráfico de la fig. 9 muestra el voltaje de respuesta en función de la temperatura.
En principio, se puede despreciar un error en el ajuste de la tensión de disparo. Si la temperatura de la batería durante la carga es relativamente estable y positiva, lo que se puede asegurar de una forma u otra, por ejemplo cubriéndola bien, entonces los pequeños cambios de temperatura prácticamente no afectarán el funcionamiento del regulador.
Autor: Byers T.
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