Cargador de batería solar 12V SLA: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Hace algún tiempo, tomé posesión de un "Lemon" de un vehículo todo terreno lado a lado. Basta decir que hay MUCHO mal en ello. En algún momento, decidí que "HEY, ¡debería construir mi propio cargador de batería solar de alta potencia solo para mantener cargada la batería barata y muerta como un clavo de puerta mientras los faros están encendidos!" Con el tiempo, eso se convirtió en la idea de que "¡HEY, debería usar esa mierda de batería para alimentar algunos proyectos remotos que he estado planeando!"

Así nació el cargador de batería solar "Lead Buddy".

Inicialmente, busqué derivar mi diseño de "Sunny Buddy" de Sparkfun (de ahí el nombre), pero por casualidad, me di cuenta de que un componente que ya estaba usando en otro proyecto, en realidad tenía una nota de aplicación sobre el uso. como un cargador de batería solar (que me había perdido mientras hojeaba la hoja de datos antes) - ¡LTC4365 de Analog Device! No tiene MPPT, pero bueno, tampoco el "Sunny Buddy" de Sparkfun (al menos no es el verdadero MPPT de todos modos…). Entonces, ¿cómo solucionamos esto exactamente? Bueno, querido lector, ¡¡¡mira las notas de la aplicación !!! Específicamente, AN1521 de Microchip "Guía práctica para implementar algoritmos MPPT de paneles solares". En realidad, es una lectura bastante interesante y le proporciona varios métodos diferentes para implementar el control MPPT. Solo necesita dos sensores, un sensor de voltaje (divisor de voltaje) y un sensor de corriente, y necesita exactamente una salida. Sucedió que conocía un sensor de corriente especial que se puede usar con un MOSFET de canal N, llamado IR25750 de International Rectifier. Su AN-1199 en el IR25750 también es una lectura interesante. Finalmente, necesitamos un microcontrolador para vincular todo, y dado que solo necesitamos 3 pines, ¡ingrese el ATtiny10!

Paso 1: elegir piezas, dibujar esquemas

Ahora que tenemos nuestras 3 partes principales, debemos comenzar a elegir los otros componentes que deben acompañar a nuestros circuitos integrados. Nuestro siguiente componente importante son nuestros MOSFET, específicamente, para esta revisión (consulte el último paso para obtener más información sobre eso), elegí usar DOS MOSFET de canal N dual SQJB60EP. Un MOSFET está controlado exclusivamente por el LTC4365, y el otro MOSFET está configurado para que un FET actúe como un "diodo de lado bajo ideal" destinado a la protección de entrada inversa (si busca eso en Google, es probable que no se le ocurra el notas de aplicación de TI y Maxim sobre el tema, tuve que buscarlo), mientras que el otro FET está controlado por el temporizador PWM de 16 bits del ATtiny10 (o la resolución que elija …). Luego vienen nuestros pasivos, que honestamente no son tan importantes de enumerar. Consisten en resistencias para la programación de cargadores / divisores de voltaje y varios capacitores de derivación / almacenamiento, solo asegúrese de que sus resistencias puedan manejar la potencia disipada a través de ellos y que sus capacitores tengan tolerancias de temperatura razonables (X5R o mejor). Es importante tener en cuenta que, debido a cómo está diseñado, se DEBE conectar una batería a la placa para que funcione.

He configurado el LTC4365 para poder cargar baterías de 12 o 24 V cambiando un puente (para proporcionar el pin OV en el cargador con 0.5V cuando la batería está cargada a alrededor de 2.387V / celda para baterías de 12V). El divisor de voltaje del cargador también tiene compensación de temperatura a través de una resistencia PTC de 5k que se conecta a la placa a través de un cabezal de 2.54 mm y se conectará al costado de la batería con un compuesto de relleno térmicamente conductor o incluso con cinta adhesiva. También tenemos que usar un par de zeners en todo el diseño, es decir, para impulsar el MOSFET de voltaje inverso (así como para suministrar energía al otro FET en el caso de que no instale los componentes del MPPT a través de una almohadilla de puente) y para proteger los LTC4365. pines de sobretensión. Alimentaremos el ATtiny10 con un regulador automotriz de 5V clasificado para una entrada de 40V.

Fusibles …

Una cosa importante a tener en cuenta es que SIEMPRE debe tener fusibles en sus entradas y salidas cuando se trata de cargadores de batería, y que SIEMPRE debe usar protección OV en entradas de alta corriente (IE- batería). Las entradas de baja corriente no pueden implementar OVP fácilmente (IE- circuitos de palanca), ya que a menudo no pueden producir suficiente corriente para disparar un interruptor / fusible. Esto puede conducir a una situación fatal en la que su TRIAC / SCR comenzará a sobrecalentarse, potencialmente fallando, causando que sus componentes en el futuro se dañen o haciendo que su proyecto estalle en llamas. Debe poder suministrar suficiente corriente para quemar el fusible de manera oportuna (lo que nuestra batería de 12 V PUEDE hacer). En cuanto a los fusibles, decidí ir con el 0453003. MR de Littlefuse. Es un fusible fantástico en un paquete SMD muy pequeño. Si decide ir con fusibles más grandes, como fusibles de 5x20 mm, POR FAVOR, POR EL AMOR DE LO MÁS ALTO QUE SEA PARA REZAR … No utilice fusibles de vidrio. Los fusibles de vidrio pueden romperse cuando se funden, enviando trozos de metal fundido caliente y vidrio afilado por toda la placa, causando todo tipo de daños en el proceso. SIEMPRE use fusibles de cerámica, la mayoría de ellos están llenos de arena para que cuando se fundan, no fríen su tabla o su casa (sin mencionar que la cerámica en sí también debe ayudar en la protección, similar a la armadura de cerámica utilizada). para proteger los vehículos de combate modernos de ojivas de carga con forma / JETS DE PLASMA REALMENTE CALIENTES). Ser capaz de "ver" ese pequeño cable en su mecha (que, de todos modos, es posible que no pueda ver, especialmente si está casi ciego) no vale la pena tener una pila de carbón humeante donde solía estar su casa. Si necesita probar su fusible, use un multímetro para verificar su resistencia.

Protección ESD

Atrás quedaron los días en los que confiábamos exclusivamente en costosos varistores de entre 5 y 10 dólares para proteger nuestros proyectos electrónicos. SIEMPRE debe incluir algunos diodos de supresión de voltaje transitorio o TVS. Literalmente, no hay ninguna razón para no hacerlo. Cualquier entrada, especialmente una entrada de panel solar, debe estar protegida contra ESD. En el caso de un rayo cerca de sus paneles solares / cualquier tramo de cable, ese pequeño diodo TVS, combinado con un fusible, puede evitar que su proyecto se dañe por cualquier tipo de ESD / EMP (que es lo que un rayo huelga es, sorta….). No son tan duraderos como los MOV, pero ciertamente pueden hacer el trabajo la mayor parte del tiempo.

Lo que nos lleva a nuestro próximo artículo, Spark gap. "¿¡Qué son las vías de chispas !?" Bueno, los espacios de chispas son esencialmente solo un rastro que se extiende hacia un plano de tierra desde uno de sus pines de entrada, al que se le quita la máscara de soldadura y el plano de tierra local y está expuesto al aire libre. En pocas palabras, permite que ESD se arquee directamente hacia su plano de tierra (el camino de menor resistencia) y, con suerte, salvará su circuito. No cuesta absolutamente nada agregarlos, por lo que siempre debe agregarlos donde pueda. Puede calcular la distancia que necesita entre su traza y el plano de tierra para protegerse de algún voltaje a través de la Ley de Paschen. No voy a discutir cómo calcular eso, pero basta con decir que se recomienda un conocimiento general de cálculo. De lo contrario, debería estar bien con un espacio de 6-10 mil entre la traza y el suelo. También es aconsejable utilizar un trazo redondeado. Vea la imagen que publiqué para tener una idea sobre cómo implementarlo.

Planos de tierra

No hay ninguna razón para no utilizar una gran cantidad de tierra en la mayoría de los proyectos de electrónica. Además, es un desperdicio extremo no utilizar vertidos en el suelo, ya que todo ese cobre tendrá que ser grabado. Ya está pagando por el cobre, es mejor que no contamine las vías fluviales de China (o donde sea) y lo use como su plano de tierra. Los vertidos sombreados tienen usos muy limitados en la electrónica moderna, y rara vez, si es que alguna vez se utilizan, ya que los vertidos de tierra sólida supuestamente tienen mejores cualidades para las señales de alta frecuencia, sin mencionar que son mejores para proteger las trazas sensibles Y pueden proporcionar algún bypass. capacitancia con un plano "vivo" si utiliza una placa multicapa. También es importante tener en cuenta que si utiliza un horno de reflujo o una estación de reelaboración de aire caliente, no se recomiendan las conexiones del plano de tierra sólida a los componentes pasivos, ya que pueden "desecharse" cuando se refluyen, ya que el plano de tierra tiene más masa térmica. que debe calentarse para que la soldadura se derrita. Ciertamente puede hacerlo si tiene cuidado, pero debe usar almohadillas de alivio térmico, o lo que EasyEDA llama "Radios" para conectar la almohadilla de tierra de su componente pasivo. Mi placa usa almohadillas de alivio térmico, aunque como estoy soldando a mano, realmente no importa de ninguna manera.

Sobre la disipación de calor …

Nuestro cargador solar no debería disipar demasiado calor, incluso a su corriente máxima diseñada de 3A (dependiendo del fusible). En el peor de los casos, la resistencia de nuestro SQJB60EP es de 0.016mOhm a 4.5V a 8A (SQJ974EP en mi segunda revisión, a 0.0325mOhm, vea mis notas al final para más información). Usando la Ley de Ohm, P = I ^ 2 * R, nuestra disipación de potencia es 0.144W a 3A (Ahora verá por qué he usado MOSFET de canal N para nuestro circuito MPPT y "diodo" de voltaje inverso). Nuestro regulador automotriz de 5V tampoco debería disiparse demasiado, ya que solo estamos consumiendo como máximo un par de docenas de miliamperios. Con una batería de 12 V, o incluso de 24 V, no deberíamos ver suficiente pérdida de energía en el regulador como para tener que preocuparnos por el disipador de calor, sin embargo, según la excelente nota de aplicación de TI sobre el tema, la mayor parte de su energía se disipa como calor. Conducir de regreso al PCB mismo, ya que es el camino de menor resistencia. Como ejemplo, nuestro SQJB60EP tiene una resistencia térmica de 3.1C / W a la almohadilla de drenaje, mientras que el paquete de plástico tiene una resistencia térmica de 85C / W. El disipador de calor es mucho más efectivo cuando se realiza a través de la propia PCB, es decir, colocando planos grandes y agradables para sus componentes que disipan mucho calor (convirtiendo así su PCB en un esparcidor de cabeza), o enrutando vías al lado opuesto de la placa desde un plano más pequeño en la parte superior para permitir diseños más compactos. (El enrutamiento de vías térmicas a un plano en el lado opuesto de la placa también hace posible conectar fácilmente un disipador de calor / taco a la parte posterior de la placa, o hacer que ese calor se disipe a través del plano de tierra de otra placa cuando se conecta como un módulo.) Una forma rápida y sucia de calcular cuánta energía puede disipar de forma segura de un componente es (Tj - Tamb) / Rθja = Energía. Para obtener más información, le recomiendo encarecidamente que lea la nota de la aplicación de TI.

Y finalmente…

Si desea tener su proyecto dentro de un contenedor, como planeo hacer, ya que obviamente se usará en el exterior, siempre debe seleccionar su contenedor / caja antes de colocar su tablero. En mi caso, elegí la EX-51 de Polycase y he diseñado mi placa como tal. También diseñé una placa de "panel frontal", que se conecta a los "agujeros" almenado de la entrada solar, o más exactamente, ranuras (que se ajustan a una placa de 1,6 mm de espesor). Sueldelos juntos y listo. Este panel tiene conectores impermeables de Switchcraft. Todavía no he decidido si usaré un "panel frontal" o un "panel trasero", pero independientemente, también necesitaré un "prensaestopas impermeable" para la entrada o salida, así como para nuestro termistor de batería. Además, mi cargador también se puede instalar en una placa como módulo (de ahí los agujeros almenada).

Paso 2: Obtenga sus piezas

Ordenar sus piezas puede ser una tarea insoportable, dada la cantidad de proveedores que hay y teniendo en cuenta el hecho de que las piezas pequeñas se perderán de vez en cuando (es decir, resistencias, condensadores). De hecho, perdí las resistencias para el circuito de carga de la batería de 24V. Afortunadamente, no usaré el circuito de carga de 24V.

Elegí pedir mi PCB a JLCPCB, porque es muy barato. También parecen haber cambiado a un proceso de "capacidad de imagen fotográfica", que deja bonitas serigrafías (y máscaras de soldadura) nítidas desde la última vez que les pedí. Desafortunadamente, ya no ofrecen envío gratuito, por lo que tendrá que esperar una o dos semanas para recibirlo, o tendrá que pagar $ 20 + para que se envíe a través de DHL…. En cuanto a mis componentes, me decanté por Arrow, ya que tienen envío gratuito. Solo tuve que comprar el termistor de Digikey, ya que Arrow no lo tenía.

Normalmente, los pasivos de tamaño 0603 están bien para soldar. Los componentes de tamaño 0402 pueden ser difíciles y se pierden fácilmente, por lo que debe solicitar al menos el doble de lo que necesita. Siempre verifique para asegurarse de que le hayan enviado todos sus componentes. Esto es especialmente importante si no consolidan su pedido y, en cambio, le envían 20 cajas diferentes a través de FedEx.

Paso 3: Preparándose …

Preparándose para soldar…. Realmente no necesitas tantas herramientas para soldar. Todo lo que necesita es un soldador barato, de potencia moderada, fundente, soldadura, pinzas y tijeras. También DEBE tener un extintor de incendios a mano, y SIEMPRE debe tener una máscara lista para filtrar los contaminantes transportados por el aire desprendidos por el fundente, que es canceroso / tóxico.

Paso 4: Armado

Montar su PCB es realmente simple. Es más o menos "estañe una almohadilla, suelde un pin a esa pestaña, luego 'suelde con arrastre' el resto de los pines". No necesita un microscopio o una elegante estación de retrabajo para soldar componentes SMD. Ni siquiera necesita una lupa para componentes más grandes que 0603 (ya veces 0402). Solo asegúrese de que no haya pasadores con puente y de que no tenga juntas frías. Si ves algo "gracioso", ponle un poco de fundente y golpéalo con la plancha.

En lo que respecta al fundente, probablemente debería utilizar un fundente no limpio, ya que es seguro dejarlo en la placa. Desafortunadamente, es una molestia limpiarlo de tu tablero. Para limpiar el fundente 'no-clean', saque la mayor cantidad de material grande que pueda con un poco de alcohol de alto grado, con una concentración superior al 90%, y un hisopo de algodón. Luego, cepíllelo bien con un cepillo de dientes viejo (los cepillos de dientes / cabezales de cepillos de dientes eléctricos viejos funcionan muy bien). Finalmente, calienta un poco de agua destilada para un baño de agua caliente. Puede usar un poco de detergente para platos si lo desea (solo asegúrese de que no atornille su placa, no debería dañar ninguna conexión desnuda en su PCB, ya que los detergentes para platos están diseñados para "adherirse" a los componentes orgánicos a través del hidrofóbico componente del jabón. La acción hidrófoba-hidrófila es proporcionada por la estructura polar / no polar hidrocarburo / álcali de sus moléculas, y se puede lavar a través del componente hidrófilo. Realmente, el único problema es cuando no se enjuaga correctamente con agua destilada o si es extremadamente corrosivo). IFF, por algún milagro, en realidad elimina todo el fundente no limpio con alcohol, y probablemente no lo hará, puede omitir el lavado de la tabla por completo.

Después de 30 minutos más o menos, el agua caliente debería disolver el resto del residuo pegajoso en tu tabla, luego puedes ir a la ciudad con tu cepillo de dientes y quitar el resto. Enjuague bien y déjelo secar en un horno tostador ajustado al nivel más bajo, o déjelo secar al menos 24 horas al aire libre. Idealmente, debe usar un horno tostador o una pistola de aire caliente barata de Harbor Freight mantenida lo suficientemente lejos para no freír nada. También podría usar aire comprimido para el mismo efecto.

Como nota al margen, tenga cuidado al cepillar sus PCB, ya que puede soltar los componentes. No es necesario presionar con mucha fuerza, solo lo suficiente para que las cerdas se interpongan entre los componentes.

Paso 5: Paneles solares …