ソーラーパネルオプティマイザー回路の作り方

提案されたソーラーオプティマイザ回路は、変化する太陽光条件に応じて、ソーラーパネルからの電流と電圧に関して可能な最大出力を取得するために使用できます。

この投稿では、シンプルでありながら効果的なソーラーパネルオプティマイザー充電回路について説明します。最初のものは、いくつかの555 ICと他のいくつかの線形コンポーネントを使用して構築できます。2番目のオプチンはさらに単純で、LM338やオペアンプIC741などのごく普通のICを使用します。手順を学びましょう。

回路の目的

ご存知のように、電源電圧のシャントを伴わない手順で、あらゆる形態の電源から最高の効率を得ることが可能になります。つまり、特定の必要な低レベルの電圧と、負荷の最大電流を取得する必要があります。ソース電圧レベルを乱すことなく、また熱を発生させることなく動作します。

簡単に言えば、関係するソーラーオプティマイザーは、必要な最大電流で出力を許可する必要があります。必要な電圧のレベルが低い場合でも、パネル全体の電圧レベルが影響を受けないようにします。

ここで説明する1つの方法には、これまでの最適な方法の1つと見なされるPWM技術が含まれます。

IC 555と呼ばれるこの小さな天才に感謝する必要があります。これにより、すべての難しい概念が非常に簡単に見えます。

PWM変換にIC555を使用

この概念にも組み込まれており、必要な実装については2つのIC555に大きく依存しています。

与えられた回路図を見ると、設計全体が基本的に2つの段階に分かれていることがわかります。

上部の電圧レギュレーターステージと下部のPWMジェネレーターステージ。

上段は、スイッチとして配置され、ゲートで適用されたPWM情報に応答するpチャネルMOSFETで構成されています。

下段はPWMジェネレータ段です。提案されたアクション用に、555個のICがいくつか構成されています。

回路の機能

IC1は、T1と関連コンポーネントで構成される定電流三角波発生器によって処理される必要な方形波の生成を担当します。

この三角波は、必要なPWMに処理するためにIC2に適用されます。

ただし、IC2からのPWM間隔は、ピン＃5の電圧レベルに依存します。これは、1K抵抗と10Kプリセットを介してパネル全体の抵抗ネットワークから得られます。

このネットワーク間の電圧は、変化するパネル電圧に正比例します。

ピーク電圧の間、PWMはより広くなり、逆もまた同様です。

上記のPWMは、接続されたバッテリに必要な電圧を伝導して提供するMOSFETゲートに適用されます。

前に説明したように、日照のピーク時には、パネルはより高いレベルの電圧を生成します。より高い電圧は、IC2がより広いPWMを生成することを意味します。これにより、MOSFETがより長い期間オフになり、比較的短い期間オンになります。バッテリー端子間で約14.4Vになります。

太陽の光が劣化すると、PWMの間隔が比例して狭くなり、MOSFETの導通が大きくなるため、バッテリーの平均電流と電圧が最適な値に保たれる傾向があります。

10Kプリセットは、明るい日差しの下で出力端子間で約14.4Vになるように調整する必要があります。

結果は、さまざまな太陽光条件下で監視できます。

提案されたソーラーパネルオプティマイザー回路は、パネル電圧に影響を与えたり、シャントしたりすることなく、バッテリーの安定した充電を保証します。これにより、発熱も少なくなります。

注：接続されたソアパネルは、ピーク日照時に接続されたバッテリーよりも50％多くの電圧を生成できる必要があります。電流はバッテリーのAH定格の1/5でなければなりません。

回路の設定方法

1. これは、次の方法で実行できます。
2. 最初はS1をオフのままにします。
3. パネルをピークサンシャインにさらし、プリセットを調整して、MOSFETドレインダイオードの出力とグランドの両端に必要な最適な充電電圧を取得します。
4. これで回路はすべて設定されました。
5. これが完了したら、S1をオンにして、バッテリーが可能な限り最適化されたモードで充電を開始します。

電流制御機能の追加

上記の回路を注意深く調べると、MOSFETがパネルの電圧レベルの低下を補正しようとすると、バッテリーがパネルからより多くの電流を引き出すことができ、パネルの電圧がさらに低下して暴走状態が発生することがわかります。最適化プロセスを深刻に妨げる可能性があります

次の図に示す電流制御機能は、この問題を処理し、バッテリーが指定された制限を超えて過剰な電流を引き込むのを防ぎます。これにより、パネル電圧に影響を与えないようにすることができます。

電流制限抵抗であるRXは、次の式を使用して計算できます。

RX = 0.6 / I、ここでIは接続されたバッテリーの指定された最小充電電流です

上記で説明した設計の大まかな、しかしより単純なバージョンは、IC555のピン2およびピン6しきい値検出を使用して、Dhyaksa氏によって提案されたように構築できます。図全体は、以下で確認できます。

降圧コンバータなしでは最適化なし

上で説明した設計は、変化する太陽の強度に応じて555ベースの回路のPWMを自動的に調整する基本的なPWMの概念を使用して機能します。

この回路からの出力は、出力で一定の平均電圧を維持するために自己調整応答を生成しますが、ピーク電圧は決して調整されないため、リチウムイオンまたはリポタイプのバッテリーの充電にはかなり危険です。

さらに、上記の回路には、パネルからの過剰な電圧を、接続された低電圧定格負荷の比例した量の電流に変換する機能がありません。

降圧コンバータの追加

上記の設計に降圧コンバータ段を追加することでこの状態を修正しようとしましたが、MPPT回路に非常によく似た最適化を行うことができました。

しかし、この改良された回路を使用しても、回路がさまざまな太陽の強度レベルに応じてピークレベルを下げ、電流をブーストして定電圧を生成できるかどうかについて、完全に確信することはできませんでした。

コンセプトに完全に自信を持ち、すべての混乱を排除するために、私はバックコンバーターと、入出力電圧、電流、およびPWM比（デューティサイクル）の関係について徹底的に調査する必要がありました。次の関連記事を作成します。

降圧コンバーターのしくみ

降圧インダクタの電圧、電流の計算

上記の2つの記事から得られた結論式は、すべての疑問を明らかにするのに役立ち、最終的には、以前に提案したバックコンバータ回路を使用したソーラーオプティマイザ回路に完全に自信を持つことができました。

設計のためのPWMデューティサイクル条件の分析

物事を明確に明確にした基本的な公式を以下に示します。

Vout = DVin

ここで、V（in）はパネルからの入力電圧、Voutは降圧コンバータからの目的の出力電圧、Dはデューティサイクルです。

方程式から、Voutは、バックコンバータまたはVinのデューティサイクルを制御することによって簡単に調整できることが明らかになります。つまり、Vinとデューティサイクルのパラメータは直接比例し、相互に影響を及ぼします。線形に値。

実際、これらの用語は非常に線形であるため、バックコンバータ回路を使用するとソーラーオプティマイザ回路の寸法がはるかに簡単になります。

これは、Vinが負荷仕様よりもはるかに高い場合（@ピークサンシャイン）、IC 555プロセッサがPWMを比例して狭く（またはPデバイスの場合は広く）し、Voutに影響を与えて目的のレベルを維持できることを意味します。太陽が減少すると、プロセッサはPWMを再び広げる（またはPデバイスの場合は狭くする）ことができ、出力電圧が指定された一定レベルに維持されるようにします。

実用例によるPWM実装の評価

与えられた式を解くことにより、上記を証明することができます。

パネルのピーク電圧V（in）を24Vと仮定しましょう

PWMは0.5秒のオン時間と0.5秒のオフ時間で構成されます

デューティサイクル=トランジスタオン時間/パルスオン+オフ時間= T（オン）/ 0.5 +0.5秒

デューティサイクル= T（on）/ 1

したがって、以下の式に上記を代入すると、次のようになります。

V（out）= V（in）x T（on）

14 = 24 x T（on）

ここで、14は想定される必要な出力電圧です。

したがって、

T（オン）= 14/24 = 0.58秒

これにより、出力で必要な14vを生成するために、日照のピーク時に回路に設定する必要のあるトランジスタのオン時間が得られます。

使い方

上記が設定されると、残りはIC 555が日光の減少に応じて予想される自己調整T（on）期間処理するために残される可能性があります。

ここで、日光が減少すると、上記のオン時間は、回路によって比例して増加（またはPデバイスの場合は減少）し、一定の14Vを確保して、パネル電圧が実際に14Vに低下するまで、回路は手順をシャットダウンします。

現在の（アンペア）パラメーターは、自己調整型であると見なすこともできます。これは、最適化プロセス全体を通じて常に（VxI）積定数を達成しようとしています。これは、降圧コンバータが常に高電圧入力を出力で比例して増加する電流レベルに変換することになっているためです。

それでも、結果に関して完全に確認したい場合は、関連する式について次の記事を参照してください。

降圧インダクタの電圧、電流の計算

次の情報から、私が設計した最終的な回路がどのように見えるかを見てみましょう。

上の図からわかるように、基本的な図は、電圧フォロワとして構成され、BC547エミッタフォロワステージの代わりに置き換えられたIC4が含まれていることを除いて、以前の自己最適化ソーラー充電器回路と同じです。これは、パネルからのIC2ピン＃5制御ピン配列により良い応答を提供するために行われます。

ソーラーオプティマイザーの基本的な機能の要約

機能は以下のように修正できます。IC1は約10kHzで方形波周波数を生成しますが、C1の値を変更することで20kHzに上げることができます。

この周波数はIC2のピン2に供給され、T1 / C3を使用してピン＃7で高速スイッチング三角波を製造します。

パネル電圧はP2によって適切に調整され、IC2のピン＃5に給電するためにIC4電圧フォロワステージに給電されます。

パネルからのIC2のピン＃5でのこの電位は、IC2のピン＃3で対応する寸法のPWMデータを作成するために、ピン＃7の高速三角波によって比較されます。

ピーク時の太陽の輝きP2は、IC2が可能な限り広いPWMを生成するように適切に調整され、太陽の輝きが減少し始めると、それに比例してPWMが狭くなります。

上記の効果は、接続されたバックコンバータステージ全体で応答を反転するために、PNBPJTのベースに供給されます。

ピークサンシャインでは、PWMが広いと、PNPデバイスがわずかに{減少したT（on）期間}を実行し、より狭い波形が降圧インダクタに到達することを意味します...ただし、パネル電圧が高いため、入力電圧レベル降圧インダクタに到達する{V（in）}は、パネルの電圧レベルに等しくなります。

したがって、この状況では、正しく計算されたT（on）とV（in）の助けを借りて、降圧コンバータは負荷に必要な正しい出力電圧を生成できます。これは、パネル電圧よりもはるかに低い可能性がありますが、比例してブーストされた電流（アンペア）レベル。

太陽の光が落ちると、PWMも狭くなり、PNP T（on）が比例して増加します。これにより、出力電圧を比例して上昇させることで、バックインダクタが日光の減少を補うのに役立ちます...電流（amp ）ファクターはアクションの過程で比例して減少し、バックコンバーターによって出力の一貫性が完全に維持されるようになります。

T2は、関連するコンポーネントとともに、電流制限ステージまたはエラーアンプステージを形成します。これにより、出力負荷が設計の定格仕様を超えるものを消費することが決して許されないため、システムがガタガタ音を立てたり、ソーラーパネルの性能が高効率ゾーンから逸脱したりすることはありません。

C5は100uFのコンデンサとして示されていますが、値を大きくするとリップル電流の制御が向上し、負荷の電圧が滑らかになるため、結果を改善するために、これを2200uFの値に増やすことができます。

P1は、オペアンプ出力のオフセット電圧を調整/補正するためのもので、ソーラーパネル電圧がない場合、またはソーラーパネル電圧が負荷電圧仕様を下回っている場合に、ピン＃5が完全なゼロボルトを受信できるようにします。

L1仕様は、次の記事で提供される情報を利用しておおよそ決定できます。

SMPS回路のインダクタを計算する方法

オペアンプを使用したソーラーオプティマイザー

別の非常にシンプルで効果的なソーラーオプティマイザ回路は、LM338ICといくつかのオペアンプを使用して作成できます。

次の点を参考にして、提案された回路（ソーラーオプティマイザ）を理解しましょう。図は、ICの調整ピンとグランドピンの間に接続されたトランジスタBC547の形でも電流制御機能を備えたLM338電圧レギュレータ回路を示しています。

コンパレータとして使用されるオペアンプ

2つのオペアンプはコンパレータとして構成されています。実際、そのような多くの段階は、効果を高めるために組み込まれる可能性があります。

現在の設計では、A1のピン＃3プリセットは、パネル上の太陽の光の強度がピーク値よりも約20％小さいときにA1の出力が高くなるように調整されています。

同様に、A2ステージは、日照がピーク値より約50％少ないときに出力が高くなるように調整されます。

A1出力がハイになると、RL＃1がトリガーされ、回路に沿ってR2が接続され、R1が切断されます。

最初は太陽の光のピーク時に、値がはるかに低く選択されているR1により、最大電流がバッテリーに到達します。

回路図

日光が下がると、パネルの電圧も下がり、パネルから大電流を引き出す余裕がなくなります。これは、電圧が12V未満に下がり、充電プロセスが完全に停止する可能性があるためです。

現在の最適化のためのリレー切り替え

したがって、上で説明したように、A1が動作し、R1を切断し、R2を接続します。 R2はより高い値で選択され、太陽電圧がLM338の入力で必須のレベルである15投票未満にクラッシュしないように、バッテリーへの限られた量の電流のみを許可します。

日照が2番目に設定されたしきい値を下回ると、A2はRL＃2をアクティブにし、RL＃2を切り替えてバッテリーへの電流をさらに低くし、LM338の入力の電圧が15Vを下回らないようにしますが、充電率はバッテリーは常に最も近い最適レベルに維持されます。

リレーの数とそれに続く電流制御アクションによってオペアンプのステージを増やすと、ユニットをさらに効率的に最適化できます。

上記の手順は、日照のピーク時に大電流でバッテリーを急速に充電し、パネル上の太陽の強度が低下するにつれて電流を下げ、それに応じて、バッテリーに正しい定格電流を供給して、1日の終わりに完全に充電されるようにします。

放電されない可能性のあるバッテリーはどうなりますか？

翌朝、上記のプロセスを実行するためにバッテリーが最適に放電されない場合、初期の大電流が指定された値まで放電されていないため、バッテリーに悪影響を与える可能性があるため、状況はバッテリーに致命的である可能性があります。評価。

上記の問題を確認するために、バッテリーの電圧レベルを監視し、A1、A2と同じアクションを開始する、さらにいくつかのオペアンプA3、A4が導入され、バッテリーへの電流がその期間中にバッテリーに存在する電圧または充電レベル。