Do zaprojektowania systemu wykorzystani Altium Designera, SolidWorksa i LTSpice - pliki źródłowe dostępne są na stronie projektu (link na dole).
Założenia projektu
System będzie wykorzystywał do działania wydajne przetwornice DC-DC. Układ składać będzie się z dwóch przetwornic - jednej do 'obsługi' ogniw fotowoltaicznych, a drugiej do stabilizacji napięcia z akumulatora, którym można ładować swoje urządzenia. Autor wypisał szereg kryteriów, jakie spełniać muszą układy scalone, które wybrane zostaną do projektu. I tak:
Pierwsza przetwornica:
* Musi mieć wbudowany jakiś algorytm śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) ogniwa fotowoltaicznego (PV).
* Musi pracować z napięciem wejściowym w zakresie od 1 V do 6 V - takie napięcia daje wybrane ogniwo PV.
* Musi mieć maksymalny prąd wejściowy powyżej 0,5 A - taki maksymalnie prąd oferuje ogniwo PV.
* Musi charakteryzować się sprawnością ponad 90%, oczywiście pamiętając, że realna sprawność takiego układu zależna jest od obciążenia w danym momencie.
Druga przetwornica:
* Musi pracować z napięciem wejściowym od 0,5 V do 6,0 V - takie napięcie daje ogniwo niklowo-wodorkowe (NiMH) 1S2P.
* Musi pracować z prądem wyjściowym powyżej 500 mA, aby móc korzystać z szybkiego ładowania urządzeń poprzez USB.
* Musi mieć sprawność większą niż 90%.
Aby zaoszczędzić sobie czas, autor stabelaryzował szereg przetwornic, wraz z ich podstawowymi parametrami - osobno dla pierwszego i drugiego stopnia w układzie. Wybrane do projektu układy zaznaczone są w tabeli kolorem zielonym. Same tabele prezentują się następująco:
Dodatkowo, autor miał kilka dodatkowych wymagań co do systemu:
* Czas życia układu ma wynieść co najmniej 10 lat. Dlatego też komponenty muszą być odpowiednio dobrane, zapewniając odpowiedni zapas parametrów. Dodatkowo, jako baterię finalnie wybrano ogniwo niklowo-kadmowe (NiCd), jako że oferuje ono najbardziej stabilną pracę i długi czas życia w porównaniu do ogniw litowo-jonowych i NiMH. NiCd oferuje także najlepsze krzywe ładowania i rozładowywania, niestety kosztem najniższej gęstości energii.
* Wydajność całego systemu wynieść ma co najmniej 95%. Tak wysoka wydajność wymagała użycia wysokiej klasy komponentów: niskooporowych induktorów i polimerowych kondensatorów elektrolitycznych.
Charakteryzacja ogniwa fotowoltaicznego
Ogniwo PV autor zakupił na eBay. Wybrał model o rozmiarach 110 mm x 70 mm, które miało wysoką - jak podawano - szczytową moc wyjściową. Po otrzymaniu ogniwa, konieczne było przeprowadzenie pewnych testów, aby uzyskać wartości szczytowe prądu i napięcia na wyjściu z ogniwa.
Do testów wykorzystano naturalne słońce, bez zacieniania ogniwa i w pogodny dzień. Z uwagi na to, pokazane wykresy są dosyć jakościowym opisem parametrów układu, aczkolwiek do tego projektu są to dostatecznie dobre pomiary, by oprzeć się na nich w projekcie. Z przeprowadzonych badań wynikało, że pojedyncze ogniwo ma moc około 0,61 W przy 4,3 V i 140 mA.
Charakteryzacja akumulatorów
Kolejnym etapem projektowania była charakteryzacja pakietu ogniw NiCd 2S1P. Ładowane i rozładowywane były one prądem 1 A. Podczas całego procesu monitorowano napięcie na pakiecie i całkowity ładunek zgromadzony w ogniwie w funkcji czasu. Z tych pomiarów otrzymano następujące zależności:
Wiedząc to, możliwa jest ocena pozostałego w ogniwie ładunku na podstawie napięcia wyjściowego, oczywiście tylko w momencie, gdy pobieramy z ogniwa dokładnie 1 A. Informacja ta będzie przydatna do implementacji układu pomiaru stanu naładowania akumulatorów systemu.
Symulacje
Po scharakteryzowaniu podstawowych elementów i wyborze układów kontrolerów przetwornic można było przystąpić do symulacji układu. W tym celu wykorzystano program LTspice. Symulacje dały szereg ciekawych informacji:
* Praca z dwoma ogniwami NiCd połączonymi równolegle (1S2P) nie jest zbyt wydajna - oba układy pracując z napięciem 1,2 V (nominalne napięcie ogniw) mają strasznie małą wydajność energetyczną. Dlatego też zmiana połączenia baterii z równoległego na szeregowe (2S1P) z napięciem wyjściowym 2,4 V zwiększyła wydajność przetwornicy na LTC3130 (odpowiedzialnej za obsługę ogniwa PV) z 45,2% do 72,5%, a LTC3539 z 86,1% do 92,5%.
* Jeśli w drugim stopniu umieścimy dwa układy równolegle, to wydajność można zwiększyć do 95%, a dodatkowo zwiększyć maksymalny prąd wyjściowy z ładowarki z 0,7 A do 1,4 A.
Do symulacji wykorzystano następujące układy:
Projekt układu i płytki drukowanej
Po zakończeniu testowania i symulowania działania systemu można było przystąpić do projektowania płytki drukowanej (PCB). Autor w tym celu skorzystał z Altium Designera. Układ składa się z kilku osobnych bloków, jak widać na zaprezentowanym poniżej schemacie.
Pierwszy stopień układu to przetwornica solarna, która zbiera energię z ogniwa PV. Odpowiedzialna jest ona za konwersję DC-DC napięcia z ogniwa fotowoltaicznego do napięcia ładowania ogniwa. Wynosi ono 1,55 V na celę, czyli w przypadku tego ogniwa 3,1 V (konfigurowane opornikami R8, R17 i R18). Napięcie wyjściowe z ogniwa wynosi do 4,3 V. Bardzo praktyczną właściwością tego układu jest fakt, że wyposażony jest on w prosty algorytm MPPT. Oporniki R1 i R11 odpowiadają za ograniczanie prądu cewki do poziomu, dla którego napięcie wejściowe wynosi około 4,3 V. Inną wartościową funkcją układu jest możliwość dodania histerezy załączania i wyłączania przetwornicy (ustawianej z pomocą oporników R3 i R13). Jest to przydatne, gdy chcemy odłączać przetwornicę, gdy warunki nie są dobre do jej pracy, np. urządzenie jest w cieniu. Napięcia włączenia i wyłączenia ustawiono na, odpowiednio, 3,2 V i 3,5 V.
Drugi stopień systemu zbudowany jest wokół przetwornicy LTC3539. Ten kompaktowy układ (3 mm x 2 mm x 0,8 mm) może dostarczyć do 700 mA przy napięciu wyjściowym do 5 V (z zasilania 2,4 V). W projektowanym systemie wykorzystano dwie takie przetwornice połączone równolegle, zasilanie z pakietu NiCd dającego 2,4 V napięcia wyjściowego. Przetwornica skonfigurowana jest (oporniki R23, R29 oraz R25 i R33) do stabilizacji napięcia 5,1 V na wyjściu. 100 mV większe niż standardowe napięcie ma pomóc lepiej ładować układy kablami niskiej jakości o wysokim oporze. Warto jednakże zwrócić uwagę, że napięcie to mieści się w specyfikacji USB 2.0, która mówi, że napięcie zasilania na linii 5 V wynosić może od 4,4 V do 5,25 V, więc nie ma co się ubawić, że zniszczymy swój telefon ładując go tym układem.
Ostatni, trzeci stopień, to monitor pojemności ogniwa. Robi on dokładnie tyle - obciąża ogniwa NiCd prądem 1 A, mierzy napięcie i porównując odczytaną wartość z preprogramowanymi progami zapala odpowiednie diody LED.
Dodatkowo, kilka finalnych informacji dotyczących projektu układu:
* Indukcyjności dobrane zostały wykorzystując do tego symulację w LTspice. Optymalizowano układ pod kątem wydajności energetycznej.
* Najlepsze okazały się indukcyjności mające najniższą rezystancję uzwojenia.
* W projekcie wykorzystano cewki o możliwie najniższej rezystancji stałoprądowej uzwojenia. Przełożyło się to na ich wielkość – wystarczy porównać je z układami scalonymi na PCB.
* Wszystkie kondensatory elektrolityczne to elementy aluminiowo polimerowe. Zwykłe elektrolity sprawiłyby się tutaj dosyć dobrze, ale te – dzięki niskiej rezystancji szeregowej (ESR) zapewniają dodatkowo niskie straty i wysoką wydajność.
* Przetwornice wybrane zostały z oferty Linear Technology, bo firma ta znana jest z dostarczania układów zasilania o wysokich parametrach. Dodatkowo uprościło to symulowanie układu w LTspice. Niestety cena, jaką za to zapłacić to cóż… wysoka cena tych układów.
Tak prezentuje się projekt 3D stworzonej płytki drukowanej (wraz z elementami):
Projekt mechaniczny
Projekt obudowy układu wykonano w oprogramowaniu SolidWorks. Zaprojektowana obudowa prezentuje się następująco:
Symulacja vs rzeczywisty świat
Zawsze wartościowym jest sprawdzenie, jak symulacje w komputerze przekładają się na realne działanie układu scalonego. Ogromnym zaskoczeniem (pozytywnym!) był fakt, że LTC3130 osiąga w praktyce istotnie lepszą wydajność niż w symulacji i to dla całego zakresu prądów wyjściowych. Niestety tego samego nie można powiedzieć o drugiej przetwornicy LRC3539 – ma ona lepszą wydajność niż na symulacji, ale tylko dla prądów wyjściowych do 150 mA. Powyżej tego wydajność konwersji spada poniżej wyliczonej.
Szczytowa wydajność pierwszej przetwornicy wynosi 85%, a drugiej ok. 90%. Celem było uzyskanie wydajności układu na poziomie co najmniej 90%, więc plany udało się niemalże zrealizować.
Pomyłki i problem
Jeśli chcemy ładować szybko urządzenie poprzez port USB 2.0 (prądem powyżej 500 mA), to piny D+ oraz D- muszą być zwarte opornikiem 200 Ω. Inaczej układ nie pobierze więcej niż 0,5 A.
Mimo zaprojektowania układu do pracy z 5,1 V na wyjściu, realne napięcie wyjściowe układy waha się od 4,96 V do 5,07 V. Częściowo wynikać to może z faktu, że stopień wyjściowy tworzą dwa układy LTC3539 połączone równolegle – coś, do czego te przetwornice nie zostały zaprojektowane (gdyby były, to miałyby dedykowany pin SYNC do synchronizacji dwóch układów ze sobą).
Inną problematyczną kwestią, wynikającą z łączenia dwóch LTC3539 równolegle, jest konieczność bardzo precyzyjnego dobrania oporników ustalających napięcie wyjściowe. Jeśli napięcie wyjściowe z dwóch równoległych układów będzie się różniło, to okazać się może, że przez jedną z przetwornic płynąć będzie prąd w odwrotnym kierunku niż ten, do którego została ona zaprojektowana.
Moduł pomiaru poziomu naładowania nie sprawuje się za dobrze, jako że poziomy napięć i wyznaczone wcześniej progi obarczone są sporym błędem. Podmianka U5 z LM239DT na TLC3705ID niestety nie zapewniła poprawy precyzji oceny pojemności.
Przełącznik hebelkowy nie sprawuje się za dobrze w tego rodzaju aplikacji. Konieczna jest wymiana go na coś wytrzymalszego, zważywszy na fakt, jak często tego rodzaju urządzenie upada podczas użytkowania.
Podsumowanie
Projekt sprawuje się dobrze i charakteryzuje się wysoką wydajnością, jednakże aby w pełni docenić jakość wykonanego układu, konieczne jest porównanie go z komercyjnie dostępnymi układami. Autor zamierza nabyć tanią ładowarkę solarną i porównać jej parametry z wartościami zmierzonymi dla swojej konstrukcji.
Ładowarka przetestowana została w trasie w wielu krajach, w Izraelu, Ukrainie, Rosji, Hong Kongu i Australii. Sprawiła się ona bardzo dobrze; autor ma nadzieję, że będzie równie dobrze pracować przez kolejne dziesięć lat.
Źródło: https://antdiy.blogspot.com.au/2017/09/project-portable-solar-usb-charger.html
Cool? Ranking DIY
