[Solved] Stabilizator liniowy - schemat do analizy

Witam serdecznie, jest to mój pierwszy post tutaj oraz są to moje początki z elektroniką na tym poziomie
Przechodząc do rzeczy, założenia układu są następujące:
- na wejście podaje napięcie 0-24V prąd 1A - np. panele słoneczne max. 10W
- napięcie stabilizuje do poziomu 14.4V dzięki któremu mogę ładować akumulator (12V 6Ah).
Na schemacie zawarłem przełącznik który pozwala mi na zmianę napięcia do ładowania akumulatora 6V, można to pominąć.
Schemat:

Mam pytania głównie o tranzystor i wzmacniacz.
1. Jeśli na wejściu napięcie wynosi 0V (panel odłączony), na wyjściu mamy podłączony akumulator, to czy prąd przechodzący emiter-baza (max. 5V z dokumentacji) może zniszczyć wzmacniacz bądź tranzystor?
2. Jeśli dioda blokująca prąd wsteczny była by wskazana to:
Czy należy zastosować diodę za tranzystorem?
Czy diodę można zastosować pomiędzy tranzystorem, a wzmacniaczem?
3. Czy można połączyć szeregowo dwa wzmacniacze tak aby na wyjściu uzyskać 2 razy większy prąd? Chciałbym uniknąć stosowania tranzystorów w układzie darlingtona. Tym bardziej, że jeden wzmacniacz w układzie mam wolny.
4. Czy w tego typu stabilizatorze warto stosować kondensatory?

Pomijam na razie jakiekolwiek obciążenie akumulatora, później pomyślę by prąd jakoś sensownie rozdzielany do różnych urządzeń z zabezpieczeniem rozładowania.
Proszę ewentualnie o sugestie z czym się zapoznać aby efektywniej zarządzać energią.
Dziękuję i pozdrawiam.

Czy istotne jest to, by stabilizator mógł mieć mały spadek napięcia (może dlatego nie chcesz układu Darlingtona)? Jeśli tak, to trzeba do tego podejść zupełnie inaczej: tranzystor mocy PNP (albo stabilizacja od strony minusa), sterowany przez NPN. W takiej topologii możesz uzyskać spadek napięcia niewiele większy od napięcia nasycenia tranzystora. W twoim układzie ładnych parę V - wzmacniacz operacyjny zazwyczaj nie potrafi dać na wyjściu napięcia bliskiego +zasilania, potrzebuje paru V zapasu.

Jeśli układ ma być skutecznie zabezpieczony przed uszkodzeniem przy podłączeniu akumulatora, a braku zasilania, to bez diody ciężko to uzyskać (MOSFET działający jako dioda - może się włączać, gdy będzie zasilanie, i zabezpieczyć układ przy znacznie mniejszym spadku napięcia, niż ma dioda). Ale prościej użyć do tego diody Schottky na duży prąd. W niektórych układach zabezpieczeniem może być dioda podłączona równolegle do tranzystora (żeby poprzez nią układ dostał zasilanie).

Ale ten układ powinien mieć ograniczenie prądu do wartości 0,1Q.
Inaczej kolega zniszczy akumulator.
Można to dorobić.

Kazze7 wrote:

Na schemacie zawarłem przełącznik który pozwala mi na zmianę napięcia do ładowania akumulatora 6V, można to pominąć.

Nie można pominąć bo tak się tego nie robi.
Rezystory powinny być połączone szeregowo, powinny być zwierane żeby nie rozwierać pętli sprężenia zwrotnego.

Kazze7 wrote:

1. Jeśli na wejściu napięcie wynosi 0V (panel odłączony), na wyjściu mamy podłączony akumulator, to czy prąd przechodzący emiter-baza (max. 5V z dokumentacji) może zniszczyć wzmacniacz bądź tranzystor?

Diodę wsteczne do Uce tranzystora.

Kazze7 wrote:

3. Czy można połączyć szeregowo dwa wzmacniacze tak aby na wyjściu uzyskać 2 razy większy prąd?

Nie można.
Niech kolega zastosuje układ darlingtona, będzie tylko ok. 0,7V strat.
Ale…… wzmacniacz operacyjny nie da pełnego Uz na wyjściu.
Strata na układzie darligtona ukryje się w stracie z wyjścia wzmacniacza operacyjnego

Kazze7 wrote:

4. Czy w tego typu stabilizatorze warto stosować kondensatory ?

Są konieczne.
Na wyjściu należy dołożyć elektrolit.
Także na zasilaniu należy dołożyć elektrolit.

CYRUS2 wrote:

Niech kolega zastosuje układ darlingtona, będzie tylko ok. 0,7V strat.

A układ Sziklaiego 0V przyrostu strat. Warto czasem o nim pamiętać.

Ale znacznie lepszy wynik, jeśli chodzi o straty napięcia (niestety kosztem straty części prądu - coś za coś) można uzyskać oddzielając w układzie Sziklaiego emiter Q1 od kolektora Q2 i wstawiając tam diodę o spadku napięcia paru V. Do zasilania tej diody wypada wstawić opornik między emiter, a masę (minus wspólny dla wejścia i wyjścia stabilizatora). Wtedy napięcie stabilizowane będzie wyższe od podanego na bazę Q1 o napięcie przewodzenia diody pomniejszone o napięcie baza-emiter Q1. Dać diodę na 3V i można się nie przejmować tym, że wzmacniacz operacyjny daje na wyjściu najwyżej (V+)-2V - ograniczeniem od góry napięcia, jakie układ może teraz stabilizować, jest tylko minimalne napięcie kolektor-emiter Q2, przy którym ma on jeszcze sensowne wzmocnienie, natomiast będzie ograniczenie od dołu (większe, niż napięcie przewodzenia diody; dodatkowo, mniejsze napięcie wyjściowe oznacza mniejszy możliwy prąd Q1, a tym samym mniejszy prąd bazy Q2). Ładny układ, o którym tu mało kto pamięta.


Dioda Zenera Dz na około 3V; jeśli prąd nie będzie za duży, to może być LED, ale wtedy w przeciwną stronę. R1 ogranicza prąd, jaki może popłynąć przez Q1, więc pośrednio także prąd wyjściowy, i do tego trzeba go dobrać. Wadą jest zależność prądu dla danego opornika R1 od wzmocnienia tranzystora. W drugiej wersji dodatkowe oporniki i dioda zmniejszają tę zależność - prąd Q2 jest co najwyżej równy prądowi Q1 pomnożonemu przez R2/R3 (przy założeniu, że dioda ma takie samo napięcie przewodzenia, jak złącze emiter-baza Q2).

Dzięki za odpowiedzi. Widzę, że muszę wprowadzić sporo poprawek zabezpieczających układ. Wiadomo, że im mniejszy spadek napięcia na wyjściu tym lepiej. Pytanie jeszcze o diodę, jeśli wstawię ją wstecznie to czy przy małym napięciu na panelach nie zostaną uszkodzone?
Faktycznie przy ładowaniu akumulatora muszę ograniczyć prąd bądź zmienić akumulator na większej pojemności.

Szkoda, że kolega zapomniał napisać do czego ma służyć to co robi.
Nie znamy prądu ładowania - to ważne w projekcie.

Już się poprawiam. Ma to dziać na zasadzie regulatora ładowania paneli słonecznych, tylko chce projekt podzielić na trzy moduły. Pierwszy moduł ma mi stabilizować napięcie, ten o który pytam. Drugi to byłby moduł zabezpieczeń akumulatora. Trzeci to moduł który dawał by na wyjściach trzy podstawowe napięcia 12V, 5V, 3,3V do różnych urządzeń.

Kazze7 wrote:

czy przy małym napięciu na panelach nie zostaną uszkodzone?

Nie. Panele to nie prądnica - one, kiedy nie pobiera się z nich prądu, zużywają go same. I jest wszystko jedno, czy ten prąd pochodzi od nich, czy nie... no, jak nie od nich, to Słońce ich nie grzeje, więc nawet lepiej. Natomiast bez diody przy braku oświetlenia paneli prąd, który przez nie popłynie, może rozładowywać akumulator.

Ogniwa fotowoltaiczne, nazywane panelami słonecznymi mają specyficzną charakterystykę i Twój układ nie będzie dobrze działał.
Przykłady:
1. Napięcie wejściowe 24 V, akumulator 12 V (napięcie wyjściowe 14,4 V), moc maksymalna czyli 10 W.
To daje natężenie prądu na wejściu 0,416 A. Straty w obwodzie prądowym wynikające z konstrukcji (24-14,4)x0,416 = 4 W. 40% cennej energii zamienia się w ciepło.
2. Napięcie wejściowe 24 V, akumulator 6 V, moc maksymalna 10 W. Straty: (24-7,2)x0,416 = 7W. 70% energii zmarnowane.
3. Napięcie wejściowe 12 V, akumulator 12 V. Układ nie działa. Zero skuteczności.
Największym problemem jest przyjęta przez Ciebie topologia liniowego regulatora napięcia, z szeregowym tranzystorem NPN.
Jeżeli chcesz to zrobić dobrze, to pomyśl o zastosowaniu przetwornicy step-up/step-down. To będzie najbardziej efektywne energetycznie rozwiązanie, a przy okazji może się okazać znacznie mniejsze i tańsze od tego co zaproponowałeś na początku tematu, nie mówiąc o mało konkretnych propozycjach Kolegi _jta_.

Zacznijmy od początku. Jakie jest przewidywane zużycie energii na wyjściu? To pozwoli określić pojemność akumulatora oraz dobrać panele.
Jeżeli masz już panele, to trudno. Podaj ich parametry VOC, ISC, a jeżeli masz więcej danych to też się przydadzą.
Jeżeli masz już akumulator, to podaj jego pojemność i napięcie nominalne. W ten sposób będzie można sensownie doradzić.
Optymalne będzie użycie zintegrowanego kontrolera MPPT, ale przy mniejszych wymaganiach można użyć przetwornicy impulsowej step-down, lub step-up/step-down. Pytanie czy chcesz mieć szybko sprawne urządzenie, czy traktujesz to jako przygodę elektroniczną w celach nauki.

Marek_Skalski wrote:

Jeżeli chcesz to zrobić dobrze, to pomyśl o zastosowaniu przetwornicy step-up/step-down. To będzie najbardziej efektywne energetycznie rozwiązanie, a przy okazji może się okazać znacznie mniejsze i tańsze

Przetwornica to koszt kilknaście złotych.
Wymiary ok. 25x 50mmm.
Napięcie wyjściowe ustawia się helipotem.
Przetwornica stabilizuje napięcie wyjściowe,które nie zależy od napięcia dawanego przez panele.
Układ stabilizartora należy zastooswać jako reduktor napięcia do odbiorników.
Kolega nie napisał czy to ma być zasilacz buforowy, czy cykliczne ładowane akumulatorów.

Przy prądzie wyjściowym poniżej 0,5A wzmacniacz operacyjny wysteruje tranzystor końcowy. Należy tylko dobrać tranzystor z odpowiednim beta.

Post #4.

_jta_ wrote:

R1 ogranicza prąd, jaki może popłynąć przez Q1, więc pośrednio także prąd wyjściowy, i do tego trzeba go dobrać.

Co to znaczy dobrać ?
We elektronice oblicza się wartości rezystorów, nie dobiera.

_jta_ wrote:

Wadą jest zależność prądu dla danego opornika R1 od wzmocnienia tranzystora.

Dlaczego kolega poda typu tranzystora i nie policzy rezystora ?
Jak kolega nie potrafi tego zrobić to autor także tego nie zrobi.
Propozycja bez sensu.
Ps. Lepiej nie poprawiać układ Sziklaiego.

Nie chce mieć szybko sprawnego urządzenia bo takie można kupić. Chcę się nauczyć i zrozumieć jak działają poszczególne elementy (czytając specyfikacje, porównując je wzajemnie, przeliczając wartości), i na co zwracać uwagę przy projektowaniu już gotowego układu.
Elementów żadnych nie mam i wszystko liczę na "papierze".
Przykładowe ogniwo fotowoltaiczne 12V (już się poprawiam w nazewnictwie) ma na wyjściu 17,7V 0,564A w pełnym słońcu.
Założyłem, że podzespoły muszą wytrzymywać 24V i prąd max. 1A.
Jeśli bym przełączył na ładowanie akumulatora 6V po prostu mógłbym zastosować inne ogniwo fotowoltaiczne na napięcie 6V max. 5W, mając na uwadze, że nie mogę przekroczyć prądu ładowania akumulatora.
Wiem, że tego typu stabilizator powoduje straty, ale od czegoś chciałem zacząć. A jak widzę wiem, że nic nie wiem
Podsumowując lepiej będzie zastosować dla lepszego efektu pomiędzy:
ogniwo-akumulator - przetwornica step-up/down
akumulator-odbiorniki - stabilizator liniowy

Trzeba się przyjrzeć charakterystyce paneli, żeby wiedzieć jak z nich korzystać


Jeśli nie wykorzystujemy specjalistycznej przetwornicy która sobie sama wyznaczy punkt mocy maksymalnej (MPPT) to możemy pozwolić sobie na uproszenie:
Moc będzie bliska maksymalnej jeśli napięcie na panelach będzie bliskie 80% VOC
Wynika stąd że można uzyskać dobre wykorzystanie dostępnej mocy tylko dzięki odpowiedniemu dobraniu napięcia paneli do napięcia akumulatora.
Zwykła przetwornica stabilizująca napięcie wyjściowe tylko pogorszy sprawę bo napięcie paneli będzie się zmieniać w szerokim zakresie - przez większość czasu nie będzie optymalne. Albo nie będzie działać ogóle, bo co jeśli akumulator przy zadanym napięciu "chciał by" pobrać 6A a przy aktualnym nasłonecznieniu mamy dostępne tylko 4A? Sensowniejsza była by przetwornica stabilizująca napięcie wejściowe
Albo nawet przetwornica bez stabilizacji, pracująca ze stałym wypełnieniem - prosta do skonstruowania, taki układ miał by stałą wartość Uwe/Uwy.

Na rynku oprócz zaawansowanych urządzeń z MPPT są też proste układy regulatorów PWM, przy użyciu takich urządzeń za dobre wykorzystanie mocy odpowiada dobór paneli do akumulatora, a kontroler używając PWM zmniejsza prąd kiedy napięcie akumulatora dochodzi do stanu pełnego naładowania

W moich schematach w #4 jest pewien błąd: przy przeciążeniu zasilacza dioda Zenera może zostać spolaryzowana w kierunku przewodzenia, i wtedy nie będzie działać ograniczanie prądu. Są dwa sposoby poprawienia: (1) użyć diody, która działa w kierunku przewodzenia (jak np. BZP812 dająca spadek napięcia 2.1V, bądź kilku zwykłych diod połączonych szeregowo; normalnie potencjał na wyjściu ma być wyższy, niż na emiterze Q1, czyli dioda działająca w kierunku przewodzenia ma mieć strzałkę w dół); (2) dodać diodę między wejściem sterującym, a wyjściem (ma przewodzić do wyjścia, czyli strzałka w prawo), żeby przeciążenie wymusiło obniżenie napięcia między wejściem sterującym, a masą. Kiedyś taki układ zrobiłem stosując oba sposoby - pierwszy, bo nie miałem diody Zenera na niskie napięcie, drugi, ponieważ daje charakterystykę "foldback", czyli przy przeciążeniu prąd maleje i prąd zwarcia jest znacznie mniejszy od maksymalnego.

Ma to działać tak, że na R1 jest napięcie U_sterujące-U_BE i płynący przez R1 prąd jest sumą prądów Q1 i D1. W miarę wzrostu obciążenia prąd Q1 rośnie, prąd D1 maleje; kiedy prąd D1 zmaleje do 0, stabilizator zaczyna ograniczać prąd.

W prostszej wersji maksymalny prąd będzie równy β_Q2*(U_sterujące-U_BE)/R1; w bardziej złożonej (U_sterujące-U_BE)/R1/(1/β_Q2+R3/R2).


Zacznijmy od Q2. Ja kiedyś użyłem BD355C, ale dziś raczej trudno taki kupić, a poza tym 1A przy spadku napięcia 12V to dla niego za dużo. Potrzebny jest tranzystor PNP o sporej mocy (odpada np. BD136) i możliwie dużym wzmocnieniu prądowym - proponuję BD912, ma typowo wzmocnienie ponad 100 do 2A.

W roli Q1 BC337 (może BC547 też by wystarczył, ale trochę "na styk"). Diody mogą być 1N4148, albo podobne (w roli Dz 3 szeregowo). Raczej o dużym wzmocnieniu (BC337-40).

Zakładam, że prąd płynący przez R1 nie przekroczy 25mA przy 12V na wyjściu (co oznacza 10V na R1), więc R1=390Ω. Napięcie na R3 przy maksymalnym prądzie powinno być nieco ponad 0,2V (przy mniejszym pogarsza się stabilność cieplna), czyli R3=0,22Ω; powiedzmy, że wzmocnienie Q2 będzie 100, wtedy przez R2 ma popłynąć 15mA przy 0,22V, czyli R2=15Ω. Jeśli się trafi Q2 o bardzo dużym wzmocnieniu prądowym - powiedzmy, 300 - to można jako R2 użyć 10Ω, albo jako R1 560Ω; jeśli o bardzo małym (może być nawet tylko 40), to R2 powinien być większy (nieskończony dla wzmocnienia równego 40).

Od źródła napięcia sterującego wymagam, żeby było odporne na zwarcie; wiele wzmacniaczy operacyjnych jest zrobionych tak, że można zewrzeć wyjście i one ograniczają prąd zwarcia, zwykle do około 20mA, ale dla LM258 tak nie jest (Fairchild dopuszcza zwarcie jednego wyjścia przy zasilaniu do 15V), więc wypada po drodze wstawić jakiś opornik, 470Ω powinien wystarczyć). To z powodu D2, która ma wymusić obniżenie napięcia sterującego w razie zwarcia wyjścia, i przez to zmniejszyć prąd Q2. Bez niej Q2 przy zwarciu będzie przewodzić prąd około 1A, czyli przy zasilaniu 24V moc strat będzie 24W.

Poza tym, dla 3 diod w roli Dz napięcie na wyjściu będzie o około 1,3V wyższe od sterującego; jeśli wzmacniacz operacyjny może dać na wyjściu (V+)-1,5V, to nie ma problemu, ale jak mniej, to może mieć sens dołożenie czwartej diody. Można też użyć LED-a w roli Dz (uwaga na prąd dopuszczalny, wiele ma tylko 20mA, a trzeba nieco więcej) - zasygnalizuje, że napięcie akumulatora doszło do maksymalnego i układ stabilizuje napięcie, a nie prąd ładowania.

Przy innym zastosowaniu (takim, przy którym w momencie włączenia zasilania na wyjściu nie było napięcia) może się przydać zastąpienie D2 dwiema diodami połączonymi szeregowo, żeby stabilizator bez problemu wystartował.

@Kazze7 W takim razie tutaj znajdziesz materiał do analizy, do porównania.
eDesignSuite -> Photovoltaic -> Solar Battery charger SPV1040T - napięcie 2-5 V, moc około 4 W.
Microchip - napięcie 20-45 V, moc około 200 W.
Renesas - napięcie 4,5 - 60 V, moc w warunkach amatorskich do 250 W, w warunkach przemysłowych może być >2000 W.

Z pewnością zauważysz podobieństwa w tych układach i zupełnie inne podejście niż Twoje. Dla celów edukacyjnych możesz próbować zrealizować kluczowe bloki tych układów w formie dyskretnej, aby lepiej zrozumieć zależności. Powtórzysz w ten sposób proces, który ktoś wykonał już wiele lat temu i zdobędziesz doświadczenie. W przyszłości, będziesz wiedział, które rozwiązania są lepsze i jak wyznaczyć wartości kluczowych elementów.
Pozytywnie odbieram to, że już na wstępnie przyjmujesz warunki brzegowe z marginesem bezpieczeństwa. W takich aplikacjach, na początku parametry tranzystorów kluczujących przyjmuję z zapasem 50% na napięcie i 100% na prąd.

Jeżeli zdecydujesz się kontynuować układ z tranzystorem szeregowym, to proponowałbym zamienić go na P-MOSFET'a, w ostateczności na PNP, aby ograniczyć straty i uprościć sterowanie.
Wybrałeś bardzo dobry OpAmp do stabilizacji napięcia, a ponieważ w obudowie jest jeszcze jeden, to możesz na nim zrealizować ograniczenie prądu. W prostym układzie, wystarczy sterownie analogowe. Jak już zadziała, to wtedy możesz pomyśleć o dodaniu kolejnych elementów.
Polecam rozpoczęcie projektowania od wypisania funkcji jakie chcesz zrealizować, przygotowania schematu blokowego i dopiero wtedy projektowanie detali. Takie podejście nazywa się od ogółu do szczegółu, albo top-2-bottom.
Odradzam szukanie rozwiązań szczegółowych w oderwaniu od całości, ponieważ zmarnujesz dużo czasu na zbędne działania. Trochę jak w niektórych postach w tym temacie

Temat do zamknięcia