Некоторое время назад мне попалась интересная конструкция солнечного зарядного устройства для мобильного телефона. Однако у этого зарядного устройства было для меня несколько существенных недостатков.
Первым и самым большим недостатком было отсутствие аккумулятора. Поэтому заряжать телефон можно было только под прямыми солнечными лучами и только тем током, который на данный момент давала солнечная панель. Каждый может представить, сколько времени будет заряжаться такой мобильный телефон с аккумулятором на 1500 мАч.
Другим недостатком было использование линейного стабилизатора, хотя и с низкими потерями, но даже в этом случае это пустая трата столь ценной энергии. Поэтому я решил сконструировать солнечное зарядное устройство, которое не будет иметь перечисленных выше недостатков.
Я использовал солнечную панель мощностью 5 Вт / 12 В. Благодаря тому, что вся панель находится в алюминиевой раме, она очень прочная и в то же время в ней можно установить всю электронику, включая аккумулятор. В своей конструкции я применил не обслуживаемую гелиевую батарею на 12 В.
Всю схему можно разделить на две части: Первая часть обслуживает аккумулятор, то есть контролирует процесс его заряда и разряда. Вторая часть представляет собой преобразователь напряжения с КПД более 90% (R-785.0-1.0), который обеспечивает 5В / 1А для зарядки телефона. Это выходное напряжение доступно на USB-разъеме.
Благодаря этому решению можно накапливать энергию в аккумуляторе в течение солнечного дня, а затем использовать ее в любое время для зарядки телефона или другого устройства от 5В.
Описание работы контроллера солнечной панели
В настоящее время электроника способна управлять солнечными панелями мощностью до 5-20 Вт. Конечно, можно использовать более слабые солнечные панели, чем 5 Вт, но это уже неэффективно.
Идея заключалась в том, чтобы это зарядное устройство могло заряжать любой смартфон, который нужно заряжать каждые 2 дня. Следовательно, необходимо, чтобы солнечная панель могла заряжать свой аккумулятор 12 В / 2,3 Ач за два солнечных дня. Данная панель мощностью 5 Вт справится с этим без проблем.
Теперь к самому описанию схемы. Солнечная панель подключается плюсом и минусом к клеммам X1.1 и X1.2 соответственно. Аккумулятор подключается плюсом и минусом к клеммам X2.1 и X2.12 соответственно.
Итак, сначала давайте посмотрим на схему со стороны солнечной панели. С выходных клемм панели напряжение поступает на делитель напряжения, состоящий из резистора R2, подстроечного резистора R1 и резистора R3. Далее напряжение подается на управляющий вывод (опорного напряжения) TL431. Если напряжение ниже 2,5В, то в принципе ничего не происходит. Однако, как только напряжение достигает 2,5 В (после делителя напряжения), TL431 открывается и, таким образом, также открывает транзисторы Q1 и Q2.
Транзистор Q1 открывает нам транзистор Q3, который подает напряжение на разъем JP2. Разъем JP2 используется для подключения вентилятора в случае использования панели большой мощности (более 10 Вт).
При открытии транзистора Q2 происходит управляемое короткое замыкание солнечной панели. Это контролируемое короткое замыкание фактически стабилизирует напряжение солнечной панели до значения, подходящего для зарядки аккумулятора.
Если аккумулятор разряжен, то вся энергия от солнечной панели через диод D2 (1N5908) поступает в аккумулятор. Таким образом, обеспечиваются минимальные потери солнечной энергии.
В процессе зарядки аккумулятора его напряжение повышается, что также увеличивает напряжение на солнечной панели. В результате этого возникает управляемое короткое замыкание, и излишняя энергия выделяется на транзисторе Q2, установленного на радиаторе. Для более мощных панелей необходимо добавить принудительное охлаждение в виде вентилятора.
Вторая часть схемы уже использует энергию от аккумулятора или избыточную энергию от самой солнечной панели для питания подключенного устройства (телефона или чего-либо еще с напряжением 5 В).
Однако, поскольку нам необходимо обеспечить бережное обращение с энергией аккумулятора солнечной панели и защитить его от глубокого разряда, в схему контроллера добавлено реле K1, которое в состоянии простоя обеспечивает отключение инвертора и, следовательно, подключенного внешнего устройства.
Если нам нужно активировать питание подключенного устройства, мы просто нажимаем кнопку S1. В результате этого поступает напряжение на катушку реле, она замыкается через свой собственный контакт, а диоды D3, D4 (1N4148) и стабилитрон D5 (5,6В) начинают удерживать сам контакт.
Если затем мы хотим отключить нагрузку, то нажимаем кнопку S2, которая размыкает цепь питания реле и, таким образом, отключает нагрузку. В то же время стабилитрон D3 и диоды D4, D5 гарантируют, что, если напряжение батареи опуститься до значения около 9,5-10 В, стабилитрон D3 перестанет проводить и обесточит реле, тем самым защитив аккумулятор от глубокого разряда.
И последняя часть данного устройства — это источник стабилизированного напряжения, состоящий из микросхемы DA1. Здесь хочу отметить, что на принципиальной схеме нарисован классический линейный стабилизатор. Его можно использовать, но он должен быть с минимальными потерями и иметь достаточный теплоотвод.
Однако гораздо эффективнее использовать переключаемый стабилизатор, который имеет такую же распиновку выводов. Я использовал стабилизатор R-785.0-1.0 с выходным напряжением 5В и током 1А. Заявленный КПД данного стабилизатора составляет более 90%, что является оптимальным для нашего случая.
Перемычка JP1 используется вместе с мобильными телефонами. Ее необходимо установить, чтобы телефон определил подключение к зарядному устройству, а не к ПК. Если он посчитает, что подключен к компьютеру, то зарядка будет идти не максимальным током, а только наполовину, что удвоит время зарядки.
Все устройство собрано на односторонней печатной плате размером 100х50 мм.
Настройка контроллера
При аккуратном монтаже все должно заработать с первого включения, нужно только выставить максимальное напряжение АКБ с помощью резистора R1. Это нужно сделать с отключенным аккумулятором и в идеале от лабораторного источника питания, который подключается вместо солнечной панели.
В крайнем случае, конечно, можно использовать и саму солнечную панель, но тогда необходимо обеспечить максимальное ее освещение.
На блоке питания устанавливаем 15 В и ограничение по току 50 мА. Затем подключаем схему и вращаем подстроечный резистор R1 так, чтобы лабораторный блок питания начал нас ограничивать и его напряжение упало до 14В.
Таким образом, мы установили максимальное напряжение солнечной панели и после вычета падения напряжения на диоде D2 имеем напряжение 13,5-13,8 В на аккумуляторе.
Скачать рисунок печатной платы (176,5 KiB, скачано: 319)
