Simplifique los sistemas solares pequeños* con el controlador de histéresis

Los sistemas de energía solar basados ​​en baterías en el rango de 10 W a 100 W a menudo usan un controlador de conmutación para controlar la carga de la batería. Estos tienen la ventaja de una alta eficiencia y facilitan el seguimiento de la potencia máxima, pero a expensas de la inductancia, la complejidad del circuito y el ruido. Como una alternativa más simple a un controlador de conmutación, el control lineal es posible en aplicaciones de hasta aproximadamente 20 W. Aunque simples y silenciosos, los controladores de carga lineales generan calor, que debe eliminarse a través de un disipador de calor. La complejidad a granel, el costo y el ensamblaje del disipador de calor anulan de alguna manera las ventajas percibidas de un controlador de carga lineal sobre un enfoque de controlador de conmutación.

Un controlador histerético que simplemente conecta o desconecta el panel solar según sea necesario para limitar el estado de carga de la batería brinda un excelente alivio del dolor, libre de inductores, complejidad, ruido y disipación de calor.

Son posibles tanto las topologías de conmutación en serie como las de derivación de histéresis. Una configuración en serie abre la conexión al panel solar cuando la batería ha alcanzado su voltaje de carga máximo, luego se vuelve a conectar cuando el voltaje de la batería cae a un umbral más bajo. La principal dificultad con una configuración en serie es controlar el interruptor del lado alto, que requiere una bomba de carga para una implementación de canal n o un circuito controlador de compuerta de alto voltaje para un MOSFET de canal p.

La mejor disposición de derivación se muestra en la Figura 1. En este caso, el interruptor (S1) gira cuando el voltaje de la batería cae por debajo de cierto umbral, lo que permite que la corriente del panel solar cargue la batería. Cuando el voltaje de la batería supera un segundo umbral más alto, el interruptor se enciende para desviar la corriente del panel solar a tierra. El diodo D1 aísla la batería cuando S1 carga el panel solar. El interruptor se implementa fácilmente con un MOSFET de canal n, controlado directamente por la salida de un comparador de referencia a tierra.

La figura 2 muestra un controlador de carga de derivación completo para una batería de plomo-ácido de 12 V que utiliza un monitor de voltaje de micropotencia LTC2965 de 100 V como elemento de control. Aunque no monitorea 100 V en esta aplicación, el rango operativo de 3,5 V a 100 V del LTC2965 cubre generosamente el rango de voltaje típico de una batería de 12 V, con mucho margen.

El LTC2965 tiene un divisor de ~78M, 10:1 que monitorea el voltaje de la batería en V_EN alfiler Los umbrales se generan a partir de una referencia de precisión de 2,412 V mediante un divisor externo separado y se comparan con la versión diluida de V_EN. Esta disposición elimina la necesidad de resistencias de precisión de alto valor en el divisor principal.

La histéresis se desarrolla cambiando la entrada inversora del comparador entre los umbrales alto y bajo establecidos en los pines INH e INL. Estos puntos de activación determinan los voltajes a los que comienza y termina la carga de la batería.

Otras características importantes incluyen el funcionamiento de baja potencia del LTC2965 (corriente de suministro total de 40 µA, incluido el control de compuerta Q1), una precisión de referencia integrada del 0,5 % y un funcionamiento histerético con un umbral independiente.

El funcionamiento es el siguiente. Primero, con el voltaje de la batería por debajo de 13,7 V, la salida del comparador es baja y Q1 se apaga, lo que permite que toda la corriente disponible del panel solar fluya a través de D1 hacia la batería y la carga. A medida que la batería se carga, su voltaje aumenta y cuando alcanza un límite máximo de carga de 14,7 V, Q1 se enciende, lo que provoca un cortocircuito del panel solar a tierra. D1 aísla la batería de la ruta de derivación. Cuando se enciende Q1, el voltaje de la batería cae a un ritmo que depende del estado de carga y la magnitud de la corriente de carga. Cuando el voltaje de la batería alcanza un límite inferior de coma flotante de 13,7 V, Q1 se apaga y la corriente del panel se aplica nuevamente a la batería y la carga.

Este sistema de tarificación comparte algunas características de la tarificación cíclica y la tarificación de mantenimiento. La carga inicial continúa hasta que el voltaje de la batería alcanza los 14,7 V, después de lo cual el circuito de carga por pulsos comienza a completar el proceso.

Es importante dimensionar correctamente la batería y el panel solar para una aplicación en particular. Como regla general, elija una corriente de panel máxima o "pico" igual a 10 veces la corriente de carga promediada durante un período de 24 horas, y la capacidad de amperios-hora de la batería igual a 100 veces la misma cifra promedio. La corriente máxima de un panel de 36 celdas se estima dividiendo los vatios de "comercialización" reclamados por el panel por 15. Se puede esperar que un panel de 15 W proporcione una corriente de salida máxima de alrededor de 1 A en condiciones favorables, pero esto debe verificarse mediante medida del panel bajo consideración.

Estas relaciones se derivaron para Milpitas, CA para brindar 4 días de duración de la batería sin asistencia, con el panel en ángulo para un máximo aislamiento en invierno. En el caso de la figura 2, el circuito fue diseñado para una carga continua de 100 mA (2,4 Ah/día), lo que requiere el uso de un panel de 1 A y una batería de 10 Ah. La batería un poco más pequeña que se detalla en la Figura 2 es demasiado pequeña para un período de funcionamiento de aproximadamente 3 días, sin ganancia solar.

Un termistor NTC compensa la temperatura de los umbrales de carga en un rango de 0 °C a 50 °C. Si se utiliza en un entorno controlado, no se requiere compensación de temperatura y el termistor y la resistencia de 150k se pueden reemplazar por una unidad fija de 249k. Para los lectores que deseen eliminar los errores introducidos por las resistencias del 1%, la Figura 3 muestra un esquema simple para configurar el umbral de carga de ±250 mV.

Si bien los paneles solares generalmente se ordenan para recolectar la energía total máxima por año, un sistema independiente debe optimizarse para operar en condiciones mínimas estacionales, teniendo en cuenta las condiciones climáticas coincidentes. La principal preocupación es la orientación de los paneles solares, que es una ciencia en sí misma. Es relativamente sencillo calcular una orientación ideal y teóricamente fija; sin embargo, numerosas no idealidades, incluida la dispersión atmosférica, la niebla, las nubes, el sombreado, los ángulos del cielo y otros factores, hacen que esta ciencia sea, en el mejor de los casos, imprecisa. Una excelente descripción general de este tema se puede encontrar en www.solarpaneltilt.com.

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^* Cartera voluntaria.