Napelemes UPS tápegység

Analóg, kapcsolóüzemű technikát terveztem, ami egyesíti az analóg megoldások előnyeit, illetve a kapcsolóüzemű technika magas hatásfokát. Ma már nagyon sok integrált áramkör kapható, a legtöbb általános célú tápegységekhez különösen, így gyakorlatilag viszonylag egyszerű módon felépíthetőek adott áramköri egységek anélkül, hogy a legalapvetőbb alkatrészekből kellene modult építeni. Természetesen nem mindenre van kész megoldás és olyankor tervezni kell, számolni és méretezni. Ebben a projektben mindkét kivitelezési mód megtalálható, az elemi áramköri egységektől az integrált megoldásokig. Az igaz, hogy egy ilyen töltésvezérlőt akár kereskedelemben is kapható elektronikai modulokból is össze lehetett volna legózni, de egységes és profi megoldásra volt szükség egy új termék megalkotásához, melyben ez a modul egy fontos alkatrész lesz.

A projekt keretén belül terveznem kellett egy olyan napelemtáblákról táplált töltőelektronikát, mely napfény esetén folyamatos töltést biztosít a rendszerbe helyezett nem kevés tárolókapacitás számára, ugyanakkor a kimenetén szünetmentesen képes szolgáltatni a szükséges tápfeszültséget hálózati eszközök és USB töltőállomások számára. A partner egy hotspot kialakításához rendelte meg a fejlesztés tárgyát képező tápegységet. Nagyon nagy, 168Ah kapacitással terveztek, ami 6db 28Ah-ás akkumulátor összekapcsolásával lett kialakítva. Ennek a nagyméretű energiatárolónak a töltését igyekeztem megoldani napelemek felhasználásával.

Követelmények

Az alábbi elvárásoknak kellett megfelelnie a létrehozott tápegységnek:

  • Akkumulátortelep töltése és folyamatos szinten tartása napenergiával
  • Folyamatos tápellátás biztosítása egy darab Wi-Fi router számára
  • 2db USB töltőállomás kialakítása az egységen
  • Kompatibilitás a legtöbb Androidos és Apple mobileszközzel
  • Töltőáram korlátozása a kimeneteken
  • Alacsony telepfeszültség esetén a töltőpontok letiltása, státusz kijelzése

A napcellákról

A napelemeket a megrendelő bocsátotta a rendelkezésemre, melyet egyedileg gyártatott az egyedi méretigények miatt. Adatlapot sajnos nem tudott mellé adni, így mérések alapján kellett meghatároznom egy hozzávetőleges teljesítményt és az üzemi feszültséget. 3db napelemet terveztek a rendszerbe. Ezek vékonyfilm technológiával készültek, és flexibilis, műanyag alapú hordozóanyagra voltak laminálva. Nyári időszakban, a déli órákban, napsütésben maximum 21V feszültséget mértem egy táblán, illetve a zárlati áramból arra tudtam következtetni, hogy megközelítőleg 100W-os panelek lehetnek. A viszonylag nagy területű napelemtől talán ez kevésnek tűnhet, de mivel a vékonyfilmes napelem hatásfoka a legkisebb, (kb. 9%) így ebből a típusú panelből a megfelelő teljesítmény eléréséhez jóval nagyobb felületre van szükség, mint a polikristályos, vagy monokristályos változatok esetében, melyek hatásfoka 15-16%.

Akkumulátorok és kapacitás

A napelemek által szolgáltatott energia elsősorban akkumulátor töltésre, másodsorban direkt táplálásra hasznosul. 168Ah kapacitás nem kevés, tartósabb fénymentes időszakban is nagyon hosszú időre képes energiát biztosítani a hotspot számára és ennyi energiából jó pár telefon akkumulátorát is fel lehet tölteni. SLA akkumulátorok kerültek felhasználásra, így ennek megfelelő töltőáramkört volt szükséges megtervezni. A napelem folyamatos üzemben azért a nap világos időszakában még borult idő esetén is képesek annyi energiát adni, hogy az akkutelep töltődni tudjon, így veszélyes lemerüléstől nem igazán kell tartani, de mindenesetre ilyen szituációban fontos egyrészt lekapcsolni az akkumulátorokról a fogyasztókat, másrészt lemerült állapotban megfelelő mértékig korlátozni kell a töltőáramot is.

Tervezési szempontok és működés

A töltőáram maximumát 0,07C-ben határoztam. Ez egy bőven biztonságos és lassú töltést eredményez, ami abszolút nem veszi igénybe a cellákat, viszont szélsőséges esetben így is 11A töltőárammal kell kalkulálni. Mivel a napcellák összteljesítménye 300W körül van, így 15A-nél nagyobb áramot bármilyen extrém napsütés esetén sem tudnak szolgáltatni, túlterhelni őket pedig szerintem nem célszerű, így arra jutottam, hogy ez a maximális 11A-es töltőáram beállítás tökéletes lesz. Az akkumulátorok névleges feszültsége 12V, adattáblája szerint a „standby use” 13,5-13,8V közötti feszültségre stabilizált érték lehet. A teljes töltöttséget ennek megfelelően 13,65V-os feszültségszintben határoztam meg és állítottam be.

Fentebb írtam, hogy ma már sokféle feladatra kész megoldást lehet vásárolni. Ilyen teljesítményű tápokat integrált formában nem igazán lehet kapni, ami elérhető a piacon az nyilván nem olcsó, illetve modul szintű megoldások léteznek még, valamint kapcsolóüzemű tápvezérlők, melyekből nekem kell kész tápot gyártani.

Én egy régi, de jól használható kapcsolóüzemű tápvezérlő IC felhasználása mellett döntöttem, mely segítségével egyszerűen lehet stabil feszültséget előállítani, valamint áramkorlátozásra is van lehetőség anélkül, hogy komolyabb kiegészítő áramkörrel volna szükség. Ez pedig egy olcsón és legtöbb helyen beszerezhető MC34063 típusú kis SO8 tokozású 1,5A-es SMPS regulator.

Természetesen külső MOSFET-et hajtottam vele, hiszen 11A-t kell belőle maximum kihozni, amire önmagában nem alkalmas. Mivel széles feszültségtartományban képes üzemelni, így külön tápegység kialakítására nem volt szükség.

Az 1,5A-es kimeneti meghajtó fokozat tökéletesen alkalmas MOSFET meghajtására, bár a maximális 21V-os tápfeszültség miatt a felhasznált MOSFET gate feszültségét vissza kellett korlátozni, hiszen az a gate-source között csak maximum 18V-ot képes elviselni, ezért csak úgy direktben nem hajtható meg a szabályozóról. A gate meghajtásához szinteltoló, tranzisztoros meghajtófokozatot terveztem, mely megfelelő áramerősséggel (1A) képes nyitni és zárni a félvezetőt, ezzel elérve a minél rövidebb nyitási és zárási időt és csökkentve az ebből származó kapcsolási veszteséget, ami melegedéshez vezetne.

A feszültségszabályozó áramkörből kifolyó áramot diódákon vezettem keresztül, így az akkumulátoroknál jelenlévő feszültség nem befolyásolja a töltésvezérlő működését, illetve ezzel sikerült azt elérni, hogy visszafelé nem folyhasson áram. Gyakorlatilag, mikor a napcellák feszültsége alacsony, akkor a töltésvezérlő nem működik.

A napelem bemeneten polaritásfordítás elleni védelem került beépítésre illetve túláram védelem céljából egy 15A-es olvadóbiztosítékot is beterveztem. Az akkumulátorok felé is bekerült a körbe egy 15A-es biztosíték. Ha mégis baj van inkább az olvadjon ki, mit kigyulladjon valami, hiszen ilyen kapacitás mellett egy zárlatból könnyen keletkezhet elektromos tűz, amit jobb megelőzni és jelentős plusz költségbe ez a védelem nem is kerül.

Kivezetésre került a stabilizált 13,65V, ami nem volt kérés, de nem tudni, mikor lehet erre szükség egy bővítéshez. Igazából egy csatlakozó, ha sohasem lesz használva akkor sem történik semmi.

Ami viszont igény volt, kialakításra került még 3db 5V-os kimenet, ebből egy látja majd el feszültséggel az hotspothoz szükséges hálózati eszközt, kettő pedig USB aljzatra kerül kivezetésre, melyről ha szükséges bárki tud majd telefont, tabletet töltögetni, miközben internetezik.

Az 5V-os stabil feszültség előállítását egy erre a célra kitenyésztett kapcsolóüzemű IC-vel oldottam meg. Egyszerű és nagyszerű megoldás, kevés alkatrészből. A kimeneti tápokat még egy 1,6A-es olvadóbiztosítékkal is megvédtem extrém zárlat esetére, bár rendeltetésszerű használat mellett ez nem fogja magát kiolvasztani.

További védelem gyanánt mielőtt még kiküldeném az USB aljatokra az 5V-ot, beterveztem még egy úgynevezett USB power protector cél IC-t is, aminek az a feladata, ha abnormális feszültséget, vagy túlságosan nagy áramot észlel, akkor lekapcsolja a kimenetét, ezzel megszünteti a tápfeszültséget az USB aljzatban. Ezzel kellően védve van az USB kivezetés és tápprobléma esetén azonnal lekapcsol.

Egy ilyen konfigurációról az Androidos készülékek jelentős része már gond nélkül működik, viszont az Apple termékek természetesen ebben is különcnek számítanak, hiszen ők csak a saját töltőjükről hajlandóak tölteni magukat. Mivel szempont volt a tervezésnél, hogy a hotspotról Apple eszközöknek is működni kell, így az USB D- és D+ vonalaira még szükséges volt beépíteni azokat a precíz feszültségosztókat, melyek elhitetik az eszközzel, hogy gyári töltőt használ. Az Androidos eszközöket ez a kiegészítés nem zavarja, viszont így már gond nélkül töltődnek az Ipad, Iphone eszközök is.

Az USB aljaztok mellett elhelyezésre került még egy-egy LED is. Ezek arról tájékoztatnak, hogy az USB töltés engedélyezett, vagy tiltott státuszban van-e. Engedélyezett állapotban zölden világít, abban az esetben, ha a telepfeszültség elérte a kritikus merültségi szintet és lekapcsolásra kerülnek a kimenetek, akkor ez a LED átvált piros színűre és ezzel együtt az USB aljzatokból is eltűnik az 5V.
A feszültségszint kapcsolásához analóg komparátort használtam.

Solar UPS töltő modul

Néhány kép a tesztelésről:

UPS töltő teszt

UPS töltő teszt

UPS töltő teszt

A töltés külön tesztelve lett többféle mobilkészülékkel és látható, hogy az Androidos eszközöket és az Apple termékeit is gond nélkül képes tölteni.

UPS töltő Android

UPS töltő Apple