Suministro de energía solar regulado (Parte 9/13)

Componentes necesarios –

Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el suministro regulado de energía solar

El panel solar de 15 vatios tiene dos VCC y terminales de tierra que sirven como lo indican sus nombres. El terminal VCC del panel está conectado al terminal de entrada de voltaje del IC LM-317 y el terminal de tierra está conectado a una tierra común. Se conecta una resistencia variable al pin de ajuste del LM-317 y una resistencia de programación R1 de 220 ohmios se conecta al pin de salida de voltaje del IC regulador. Un diodo D1 con su ánodo conectado al terminal de salida de voltaje del regulador IC está conectado en serie a uno de los terminales de salida del circuito. El terminal de salida de voltaje del LM-317 y la tierra común sirven como terminales de salida. Se conecta una batería de 3,7 V a los terminales de salida para cargarla.

El funcionamiento del circuito se puede dividir en las siguientes operaciones:

1. Extracción de voltaje CC del panel solar

2. Regulación de voltaje

3. Ajuste de voltaje

4. Protección de corriente inversa

El panel solar se utiliza para convertir la energía solar en energía eléctrica. El fenómeno de convertir la energía solar en energía eléctrica se llama efecto fotovoltaico. Este efecto genera voltaje y corriente en la salida al exponerse a la energía solar. En el proyecto se utiliza un panel solar de 15 vatios y 22 voltios. El panel tiene una caída de voltaje de 2 a 2,75 V y una salida de corriente máxima de 681 mA. La energía aprovechada del panel se utilizará para cargar una batería de 3,7 V 1000 mAHr. Un panel solar consta de varias células solares o diodos fotovoltaicos. Estas células solares son diodos de unión PN y pueden generar una señal eléctrica en presencia de luz solar. Cuando se expone a la luz solar, este panel solar genera una salida de voltaje CC de 21 a 22 V en sus terminales.

Fig. 2: Diagrama del circuito del panel solar

Regulacion de voltaje

El voltaje de salida del panel solar es de aproximadamente 22V. es necesario configurarlo en un valor más bajo para cargar la batería. La batería de 3,7 V requiere un voltaje de 4,2 V para cargarse correctamente. El regulador de voltaje LM317 se utiliza para regular la salida de voltaje del panel solar.

LM317 es un CI regulador de voltaje positivo monolítico. Como es monolítico, todos los componentes están integrados en el mismo chip semiconductor, lo que hace que el CI sea pequeño, con menor consumo de energía y bajo costo. El IC tiene tres pines: 1) pin de entrada donde se puede suministrar un máximo de 40 V CC, 2) pin de salida que proporciona un voltaje de salida en el rango de 1,25 V a 37 V y 3) pin de sintonización que se utiliza para variar el voltaje de salida. correspondiente al voltaje de entrada aplicado. Para una entrada de hasta 40 V, la salida puede variar de 1,25 V a 37 V.

Hay un OPAM (amplificador operacional) integrado en el IC cuya entrada inversora está conectada al pin de sintonía. La entrada no inversora está definida por una referencia de voltaje de banda prohibida cuyo voltaje es independiente de la temperatura, la fuente de alimentación y la carga del circuito. Por lo tanto, el LM317 proporciona un voltaje de referencia estable de 1,25 V en su pin de sintonización. El voltaje de referencia de 317 puede ser de 1,2 V a 1,3 V. El voltaje de salida de 317 se puede ajustar dentro de un rango definido utilizando un circuito divisor de resistencia entre la salida y tierra.

Para establecer el voltaje deseado en la salida del LM317, se utiliza un circuito divisor de voltaje resistivo entre el pin de salida y tierra. Por el efecto de esta configuración, se puede ajustar el voltaje en el pin de salida. El valor del divisor de voltaje resistivo debe elegirse de tal manera que pueda proporcionar el rango de voltaje requerido en la salida. El circuito divisor de voltaje tiene una resistencia de programación que tiene una resistencia fija (que se muestra como R1 en los esquemas) y otra es una resistencia variable (que se muestra como RV1 en los esquemas). Al establecer una relación perfecta entre la resistencia de retroalimentación (resistencia fija) y la resistencia variable, se puede obtener el voltaje de salida deseado correspondiente al voltaje de entrada.

Para obtener el mejor rendimiento del CI, la resistencia fija o programable R1 debe conectarse lo más cerca posible del CI regulador para que haya menos caída de línea o ruido en la salida. RV1 debe conectarse cerca de la carga a tierra para detectar la tierra y mejorar la regulación.

El LM317 tiene la siguiente disipación de potencia tolerable internamente:

Pout = (Temperatura máxima de funcionamiento del IC)/ (Resistencia térmica, Unión-Entorno + Resistencia térmica, Unión-Caja)

Puchero = (150) / (65+5) (valores según ficha técnica)

Puchero = 2W

Por lo tanto, el LM317 puede soportar internamente una disipación de potencia de hasta 2 W. Por encima de 2 W, el IC no tolerará la cantidad de calor generado y comenzará a arder. Esto también puede causar un grave riesgo de incendio. Por lo tanto, se requiere un disipador de calor para disipar el calor excesivo del CI.

Ajuste de voltaje

Para cargar la batería de iones de litio de 3,7 V se requiere un voltaje de entrada de 4,2 V. Por lo tanto, para configurar el voltaje de salida 317 en 4,7 V, se debe configurar RV1 en la posición requerida. Se puede obtener variando el voltaje de salida RV1 entre 1,1V y 10,4V.

Protección contracorriente

Cuando no hay rayos de sol alrededor, el panel solar no tiene voltaje. En los terminales de salida, la batería todavía tiene algo de voltaje, lo que hace que el voltaje de salida supere el voltaje de entrada (voltaje del panel solar). Por lo tanto, hay un flujo inverso de corriente desde el lado de salida al de entrada y la batería comienza a descargarse a través del regulador IC 317 causándole daños. Al utilizar un diodo en la salida, se puede evitar el flujo inverso de corriente desde el terminal de salida (batería) al terminal de entrada (panel solar) a través de 317, manteniendo así seguro el IC del regulador de voltaje.

Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:

• Para generar una corriente de carga alta en la salida, el disipador de calor debe montarse en los orificios del regulador. Esto evitará que el regulador IC explote. El 317 IC puede manejar internamente una disipación de energía de sólo hasta 2W.

• La caída de voltaje del IC LM317 es de aproximadamente 1,5 V a 2,5 V dependiendo de la corriente de salida. Por lo tanto, el voltaje de entrada debe ser de 1,5 V a 2,5 V mayor que el voltaje de salida deseado.

• Se debe utilizar un diodo (que se muestra como D1 en los esquemas) que reciba menos caída para no reducir el voltaje de salida. Por eso se utiliza el diodo 1N5819, que sufre menos caídas.

• Para impulsar cargas elevadas, se debe utilizar un panel solar de alta potencia.

Una vez ensamblado el circuito, mida las lecturas de voltaje y corriente con un multímetro. Para cargar una batería de 3,7 V, lo más adecuado es un voltaje de 4,2 V. La corriente máxima suministrada por el panel solar está dada por –

Imax = Potencia del panel solar/Voltaje del panel solar

Imáx = 15/22

Imáx = 681 mA

Con esta corriente, el tiempo necesario para cargar la batería será el siguiente –

Tiempo necesario para cargar, T = 1Ah/0,681A = 1,46 horas (aproximadamente)

La corriente de la batería de 3,7 V es de 2 mA. La corriente consumida por la batería depende del estado de carga. Consume menos corriente cuando está completamente cargada.

Como el voltaje de entrada del panel solar es de 22 V y el voltaje de salida del regulador 317 es de 4,2 V, la disipación de potencia a través del IC del regulador se deriva de la siguiente manera:

Preg = (Vin – Vout)*Ibatt

Embarazo = (22 – 4,2)*0,002

Embarazo = 35,6 mW

Aunque la disipación de energía del CI regulador es menor que el límite tolerable internamente de 2 vatios, aún así se recomienda utilizar un disipador de calor para ayudar a enfriar el CI regulador y aumentar su vida útil.

La fuente de energía solar regulada diseñada en este proyecto proporciona voltaje regulado y ajustable de 1,1V a 10,4V mediante la variación del potenciómetro RV1. Por tanto, cualquier batería o circuito de carga que necesite un voltaje entre 1,1V y 10,4V puede extraer energía de este circuito. Como esta fuente de energía solar proporciona una corriente máxima de 681 mA, se puede conectar a ella cualquier batería o circuito que utilice una corriente máxima de 681 mA.

Diagrama de circuito de suministro de energía solar regulado