Một bảng điều khiển điểm năng lượng mặt trời ngây thơ tối đa

Tôi đang bị lừa với một bảng điều khiển năng lượng mặt trời , chỉ để thử công cụ và học hỏi trong quá trình (không cố gắng sản xuất một cái gì đó tôi thực sự sẽ sử dụng).
Vị trí của nó rất xa so với tối ưu - theo chiều dọc đằng sau một cửa sổ chỉ về phía tây nam. Vào buổi chiều muộn, nó gần với điều kiện tối ưu - ánh sáng mặt trời đến từ một góc độ tốt. Thời gian còn lại nó hoạt động ngoài ánh sáng xung quanh ít nhiều.
Trong những trường hợp này, nó tạo ra khoảng 18-20V mạch hở. Nhưng khi tôi kết nối một tải (giả sử là 60mA), nó sẽ nhanh chóng giảm xuống còn 5V (những con số này thay đổi rất nhiều tùy theo điều kiện).
Đây là tất cả bình thường và được mong đợi, nhưng tôi đã tự hỏi nếu có một cách dễ dàng để ép thêm sức mạnh từ nó. Vì vậy, tôi đã đọc về bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời, MPPT, v.v. chơi với). Vì vậy, tôi đang cố gắng xem những gì tôi có thể làm cho mình với những phần nằm xung quanh.
Cho đến nay tôi đã nghĩ ra điều này:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Load là một bộ chuyển đổi buck xuống có thể điều chỉnh , với nắp 1000uF mạnh mẽ trên đầu ra của nó, sau đó cung cấp năng lượng cho một vi mạch arduino pro thông qua điện áp INA219 và ngắt màn hình hiện tại và có màn hình LCD gắn với điện áp và dòng điện.
Arduino và LCD tiêu thụ khoảng 60mA ở 5V. Tôi cũng có thể gắn thêm tải, như bộ sạc pin LiPo và mức tiêu thụ hiện tại của nó cũng sẽ được đo.
Bộ điều chỉnh khá tệ cho ứng dụng này (nó tiêu thụ 10-20mA), nhưng nó là bộ duy nhất tôi có sẽ hoạt động với các điện áp đầu vào này.

Bây giờ, đến thời điểm: Toàn bộ ý tưởng của mạch này là giữ cho điện áp bảng mặt trời gần điện áp nguồn tối đa của nó. Khi điện áp bảng điều khiển giảm (do không đủ dòng) dưới một số ngưỡng (mà tôi có thể điều chỉnh bằng nồi), bộ so sánh sẽ xuất ra mức thấp và cắt mặt đất của tải qua M1. Điều này sẽ dẫn đến việc tăng điện áp của bảng điều khiển (do không tải) và bộ so sánh xuất ra mức cao trở lại, cho phép dòng điện chạy qua tải. Sau đó, điện áp sẽ giảm trở lại, v.v ...
Kết quả là nhanh chóng bật và tắt tải, nhưng giữ Vcc gần giá trị tối ưu của nó, điều này sẽ dẫn đến công suất tăng.
Nếu bảng điều khiển tạo ra đủ năng lượng, Vcc sẽ không giảm điện áp ngưỡng dưới và toàn bộ mạch sẽ hoạt động ít nhiều giống như nếu tải được kết nối trực tiếp với bảng.

Nó là một loại công việc - tôi có thể cung cấp năng lượng cho arduino thông qua nó vào buổi trưa, trong khi kết nối tải trực tiếp với bảng điều khiển thì không. Vì vậy, có ít nhất một số lợi ích tối thiểu.
Nhưng sau đó tôi nhận thấy rằng M1 có một chút ấm áp khi chạm vào. Theo kinh nghiệm (rất ít) của tôi, điều này chỉ ra rằng NMOS không phải lúc nào cũng mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn. Điều này là lạ, bởi vì cổng của nó được cung cấp từ một bộ so sánh, vì vậy nó phải luôn rất gần với GND hoặc điện áp zener (mà tôi đo được khoảng 5,4V). Nhìn vào bảng dữ liệu của IRF510, có vẻ như hoàn toàn có thể nó không hoàn toàn ở mức 5,4V.
Nhưng sau đó tôi quyết định kiểm tra điện áp cổng bằng máy hiện sóng. Lưu ý rằng nó không phải là một máy hiện sóng chuyên nghiệp thực sự, nó là thứ tôi tự tạo ra (một arduino đo điện áp tương tự nhanh nhất có thể và gửi dữ liệu qua nối tiếp đến PC). Vì vậy, nó chậm, không chính xác, nhưng vẫn khá hữu ích trong nhiều trường hợp.
Đây là điện áp cổng trông như thế nào: Và đây là Vcc (điện áp bảng điều khiển): Vì vậy, nó thực hiện công việc phần nào, nhưng có vẻ như M1 liên tục được điều khiển trong khu vực "trung gian" (không bao giờ bật hoặc tắt hoàn toàn). Điều đó có nghĩa là các đường không phải là thấp như nó cần phải có và có kết quả là mất điện. Nhiệt không phải là vấn đề của chính nó (nó không thực sự nóng, chỉ hơi ấm khi chạm vào), nhưng mất năng lượng như thế này trong ứng dụng này là một chút xấu hổ :)






Bất cứ ý tưởng tại sao điện áp cổng không phải là sóng hình chữ nhật sắc nét từ ~ 0V đến ~ 5,4V?
Nó có thể là tốc độ chuyển đổi? Theo phạm vi "gỗ" của tôi, khoảng 14,6Kz, không có vấn đề gì với IRF510 . Hoặc là tôi sai?
Hoặc là bộ so sánh là một cậu bé hư và không xuất ra các giá trị THẤP và CAO, nhưng có gì đó ở giữa?
Hay nó là cái gì khác?
Ồ và trong khi viết bài này, tôi mới nhận ra rằng tôi nên chuyển pullup trên đầu ra bộ so sánh từ điện áp zener sang Vcc, vì vậy đầu ra CAO là điện áp cao hơn. Tôi đoán nó sẽ cải thiện mọi thứ, nhưng không giải quyết được vấn đề với các mức điện áp "trung gian" ở cổng. Tôi chỉ cần cẩn thận, vì Vcc có thể vượt quá 20V, đây là điện áp nguồn cổng tối đa được chỉ định cho IRF510.

EDIT: Do thiếu câu trả lời và tôi không hiểu chuyện gì đang xảy ra nên tôi đã làm lại mạch, vì vậy thay vì bộ so sánh LM2903P, tôi hiện đang sử dụng ATTiny85 - cùng một yếu tố hình thức (DIP8) và hiện tại đang làm điều tương tự .. . hầu hết. Tôi đã thêm độ trễ và bỏ qua chiết áp (được thay thế bằng một bộ chia điện áp cố định), bởi vì bây giờ tôi có thể kiểm soát các điện áp ngưỡng trong phần mềm.
Bây giờ, mọi thứ trông giống như chúng nên: Màu xanh lá cây (kênh 1) là điện áp bảng và màu đỏ (kênh 2) là điện áp cổng MOSFET. Bây giờ tôi đang cấp nguồn cho ATTiny từ một bộ điều chỉnh điện áp (cùng loại đã từng ở phía trước của tải), MOSFET bây giờ là BS170 thay vì IRF510 (vì ngưỡng cổng thấp hơn).



Tiêu thụ điện năng tăng lên một chút - ATTiny đang lấy mẫu ADC liên tục, không có thời gian để ngủ, tiêu thụ ~ 10mA, so với mức tiêu thụ điện năng ít hơn 1mA của IC so sánh, nhưng nó không phải là vấn đề lớn.
Điều này không chuyển vấn đề sang phần mềm (vốn là vùng thoải mái của tôi) và mở ra rất nhiều khả năng, nhưng hoàn toàn bỏ lỡ điểm của toàn bộ bài tập - để tìm hiểu thêm về điện tử.
Vì vậy, tôi vẫn rất muốn biết - điều gì đã xảy ra với mạch ban đầu khi sử dụng IC so sánh và tại sao nó không tạo ra các sóng vuông đẹp, giống như các sóng tôi có được với vi điều khiển.

Trước hết, công việc tuyệt vời cho đến nay. Chắc chắn có những con chip và mô-đun có thể làm điều này cho bạn và với hiệu quả cao hơn người ta có thể có được trên thực tế bằng cách sử dụng mạch rời rạc, nhưng sử dụng chúng sẽ có giá trị giáo dục rất ít. Chỉ chơi xung quanh và phát minh lại bánh xe từ những thứ trên tay là một cách tuyệt vời để học và có vẻ như bạn đang thực hiện phần 'chơi xung quanh' rất tốt. Và một máy hiện sóng là một máy hiện sóng. Sự khác biệt duy nhất giữa một 'chuyên nghiệp' và một mẫu arduino khó nhất có thể là những gì bạn có thể đo lường được. Nếu thứ bạn đang đo có thể được đo đủ chính xác bằng 'kính viễn vọng', thì không có sự khác biệt giữa nó và máy hiện sóng 'chuyên nghiệp'. Chỉ cần chắc chắn rằng bạn có thể tin tưởng mã của mình và đó là một công cụ hoàn toàn phù hợp cho những gì bạn đang làm.

Bây giờ, để thực sự trả lời câu hỏi của bạn!

Không có gì sai với mạch so sánh của bạn. Trong thực tế, nó hoạt động chính xác như nó cần. Thật không may, đó không phải là cách bạn mong đợi hoặc dự định hành xử (các điện tử chỉ không quan tâm đến ý định của chúng tôi, họ làm những gì họ muốn!).

Đây là một vấn đề phổ biến tôi từng thấy khi ai đó ở nhà với thiết bị điện tử kỹ thuật số bắt đầu đi vào mạch tương tự và nghĩ về nó như thể nó là kỹ thuật số. Không phải vậy. Mọi thứ không cao hay thấp, bật hay tắt. Và bất kỳ mạch điều khiển vòng kín nào (vòng kín có nghĩa là đầu ra có thể ảnh hưởng đến đầu vào - trong trường hợp này, bộ so sánh có thể ảnh hưởng đến điện áp mà nó nhìn thấy ở đầu vào đảo ngược của nó) sẽ ổn định trên một điểm vận hành cụ thể, hoặc chỉ dao động vô ích (bởi vì nó không ổn định do mất quá nhiều thời gian để phản ứng - hoặc quá lệch pha với phản hồi của nó).

So sánh không phải là kỹ thuật số. Chúng hoạt động rất phi tuyến tính nếu chúng là vòng lặp mở và là "kỹ thuật số" nhất trong trường hợp sử dụng đó. Vòng lặp mở có nghĩa là đầu ra của họ sẽ không ảnh hưởng đến đầu vào của họ. Tất nhiên, đây không phải là trường hợp trong mạch của bạn. Và đây là bí mật bẩn thỉu: bộ so sánh chỉ là bộ khuếch đại vi sai khuếch đại cao. Nói cách khác, chúng là các ampe kế với các điện trở bên trong được bố trí theo cấu trúc liên kết khuếch đại vi sai để thuận tiện. Họ có mức tăng rất cao, nhưng nó không phải là vô hạn. Nếu bạn có một vòng phản hồi tiêu cực khép kín, chính xác như bạn làm, nó sẽ hoạt động giống như một op amp. Nó không phải là một cổng logic kỹ thuật số, nó là một thành phần tương tự được thiết kế để giao tiếp với mạch kỹ thuật số, nhưng bạn không sử dụng nó như thế.

Ngoài ra, một MOSFET cũng không phải là kỹ thuật số. Họ không phải là thiết bị chuyển mạch. Chúng là bộ khuếch đại transimpedance. Trong thực tế, BJTs cư xử nhiều hơn như công tắc hơn MOSFETs làm. FET có thể được mô hình hóa như một điện trở được điều khiển bằng điện áp và một điện trở rất tuyến tính ở điện áp 'trung gian'. Cái mà bạn gọi là trung gian được gọi là vùng tuyến tính - và MOSFET có vùng rất rộng như vậy. Lớn hơn nhiều so với các chất bán dẫn khác. FET là về yếu tố chuyển đổi kỹ thuật số ít nhất bạn có thể tìm thấy.

Khi điện áp cổng tăng cao hơn, nó sẽ mất điện áp tuyến tính đối với hành vi của Rds, nhưng để đến điểm 'bật', nó phải băng qua vùng tuyến tính đó. Bộ so sánh của bạn sẽ không bật MOSFET mạnh vì nó sẽ nhanh chóng đóng vào điện áp trung gian, giống như op amp mà nó đang bí mật, và làm bất cứ điều gì cần thiết để giữ điện áp ở đầu vào như cũ. Nó dao động gần điểm điều khiển lý tưởng do được cấu hình để làm bộ so sánh, nhưng nó MUỐN bật MOSFET một phần, nó muốn biến nó thành một điện trở và nó đang làm một công việc tốt mặc dù được cấu hình cho mục đích rất khác. Bản chất thực sự và trái tim op amp của một bộ so sánh tiết lộ chính nó.

Tại sao nó muốn FET là một điện trở? Bởi vì đó là những gì nó cần làm. Nếu điện áp vượt trên thiết bị đầu cuối không đảo của nó, nó sẽ bật FET cho đến khi điện áp giảm xuống dưới thiết bị đầu cuối đảo ngược, và nó sẽ tắt. Nếu có thể, nó sẽ ổn định ở một điện áp cụ thể giữ cho FET chỉ bật đủ để giữ điện áp ở các đầu cực của nó bằng nhau. Nó không thể làm điều đó, nhưng nó đang cố gắng và nó vẫn đang làm một công việc đáng kính nửa chừng để đạt được điều đó, ngay cả khi nó đang dao động xung quanh điện áp thay vì giải quyết nó. Nó sẽ không bao giờ bật FET một cách nhanh chóng, hoặc thậm chí là tất cả các cách, vì điều đó sẽ làm cho điện áp bảng điều khiển giảm quá nhiều. ATtiny không thể phản ứng đủ nhanh, và do đó, điện áp trên và dưới không ở khắp mọi nơi, nhưng bộ so sánh thì nhanh và phản ứng liên tục.

Và nó hoạt động hoàn hảo. Đó là theo dõi điểm sức mạnh bạn đã đặt cho bảng điều khiển. Bạn đã cho nó một điện trở mà nó có thể điều khiển, do đó, nó sẽ thay đổi điện trở của MOSFET khi cần để giữ điện áp của bảng gần điểm đặt. Những gì bạn đã xây dựng là một tải giả điện liên tục hơi khó xử. Trời nóng lên vì bảng điều khiển không thể cung cấp năng lượng được rút ra bởi điện trở 100, do đó MOSFET đang được sử dụng để tự động thêm điện trở loạt bổ sung cho đến khi theo dõi điểm công suất. Nhưng nó sẽ chỉ thêm sức đề kháng vừa đủ để theo dõi điểm sức mạnh đó, và hạ thấp hoặc nâng nó lên để liên tục tiêu thụ lượng năng lượng đó. Vì vậy, nó sẽ bị nóng. Không phải vì bất cứ điều gì là sai, tuy nhiên. Các mạch đang làm việc, hoặc cố gắng. Nếu bạn đã sử dụng một op amp thích hợp, nó sẽ không dao động, và thay vào đó giữ nó ở bất kỳ điện trở nào cần thiết để tiêu thụ một công suất cố định từ bảng điều khiển.

Đây là lý do tại sao MPPT khó. Bạn không thể theo dõi điểm năng lượng bằng cách bật và tắt tải, bạn chỉ cần có điện áp lớn lên xuống như bạn thấy với ATTiny của mình. Bạn không thể cung cấp tất cả năng lượng cho tải mà không cần bật và tắt một cái gì đó, bởi vì bất cứ điều gì khác có nghĩa là đốt cháy năng lượng dư thừa. Điều này về cơ bản là cùng một lý do các cơ quan quản lý tuyến tính hoạt động như họ làm. Đây thực sự chỉ là một bộ điều chỉnh tuyến tính. Đó là điều chỉnh một điện áp. Nó không quan trọng rằng đó là điện áp từ một tấm pin mặt trời. Nó vẫn tuyến tính, và nó vẫn đang cố gắng giữ điện áp đó ở một điểm đặt. Và cách duy nhất nó sẽ làm điều đó là đốt cháy nguồn nhiệt. Đó chính xác là những gì nó đang làm.

Không có vấn đề phần mềm ở đây. Không có số lượng phần mềm có thể khắc phục vấn đề này, thật không may. Nếu bạn muốn hiệu quả, bạn không thể sử dụng theo dõi điểm sức mạnh tuyến tính. Bạn sẽ cần phải làm cho nó chuyển đổi (mà tôi biết là ý định ban đầu của bạn), và bạn sẽ cần một thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ được sạc và xả bằng công tắc. Những gì tôi vừa mô tả, và những gì bạn đang hình dung (ngay cả khi bạn không nhận ra nó) là một bộ điều chỉnh chuyển mạch. Tôi đề nghị một cuộn cảm là thiết bị lưu trữ năng lượng của bạn. Một chip điều khiển PWM sẽ hoạt động thay cho bộ so sánh. Một TL494 là một cổ điển.

Không có cách nào để làm điều này với bất kỳ mức độ hiệu quả nào theo cách bạn đã thiết lập, bất kể phần mềm hay bất cứ thứ gì khác. Bộ điều khiển MPPT thường là bộ điều chỉnh buck-boost theo dõi đầu vào vì lý do đó và một bộ sạc pin hoặc siêu tụ điện thông qua một cuộn cảm. Xây dựng một mạch như vậy nằm ngoài phạm vi của câu trả lời này, nhưng chắc chắn nó đáng để cung cấp cho 'TL494 MPPT' một cách nhanh chóng. Tìm kiếm hình ảnh mang đến rất nhiều ví dụ. Bạn thậm chí có thể thử làm điều đó bằng cách sử dụng attiny85 điều khiển MOSFET, nhưng bạn sẽ cần thêm một cuộn cảm, diode, tụ điện, một số thành phần khác. Thật không may, vấn đề là vật lý, và nó đã không thực sự chuyển sang phần mềm như vậy, mặc dù nó có vẻ như nó. Bất kể bạn làm gì, bạn '

Dù sao, xây dựng đó chắc chắn sẽ là một cách tuyệt vời để tìm hiểu về điện tử - và các bộ phận đáng sợ như điện cảm và từ tính. Nó cũng không dành cho sự yếu đuối của trái tim. Dù bằng cách nào, chúc may mắn!