Fonte de alimentação de energia solar regulamentada (Parte 9/13)

Componentes necessários –

O painel solar de 15 watts possui dois terminais VCC e terra que servem conforme indicado por seus nomes. O terminal VCC do painel é conectado ao terminal de entrada de tensão do IC LM-317 e o terminal de aterramento é conectado a um aterramento comum. No pino de ajuste do LM-317 um resistor variável é conectado e no pino de saída de tensão do CI regulador um resistor de programação R1 de 220 ohms é conectado. Um diodo D1 com seu ânodo conectado ao terminal de saída de tensão do regulador IC é conectado em série a um dos terminais de saída do circuito. O terminal de saída de tensão do LM-317 e o terra comum servem como terminais de saída. Uma bateria de 3,7 V está conectada aos terminais de saída para carregamento.

O funcionamento do circuito pode ser dividido nas seguintes operações –

1. Extraindo tensão DC do painel solar

2. Regulação de tensão

3. Ajuste de tensão

4. Proteção contra corrente reversa

O painel solar é usado para converter energia solar em energia elétrica. O fenômeno de conversão da energia solar em energia elétrica é denominado efeito fotovoltaico. Este efeito gera a tensão e a corrente na saída na exposição da energia solar. Um painel solar de 15 Watts e 22 Volts é usado no projeto. O painel possui queda de tensão de 2 a 2,75 V e saída de corrente máxima de 681 mA. A energia aproveitada do painel será utilizada para carregar uma bateria de 3,7 V 1000 mAHr. Um painel solar consiste em várias células solares ou diodos fotovoltaicos. Essas células solares são diodos de junção PN e podem gerar um sinal elétrico na presença de luz solar. Quando exposto à luz solar, este painel solar gera uma saída de tensão DC de 21 a 22 V em seus terminais.

A tensão de saída do painel solar é de cerca de 22V. ele precisa ser regulado para um valor menor para carregar a bateria. A bateria de 3,7 V necessita de uma tensão de 4,2 V para seu carregamento adequado. O regulador de tensão LM317 é usado para regular a saída de tensão do painel solar.

LM317 é um IC regulador de tensão positiva monolítico. Por ser monolítico, todos os componentes são embutidos no mesmo chip semicondutor, tornando o IC pequeno, com menor consumo de energia e baixo custo. O IC possui três pinos – 1) Pino de entrada onde no máximo 40 V DC pode ser fornecido, 2) Pino de saída que fornece uma tensão de saída na faixa de 1,25 V a 37 V e 3) Pino de ajuste que é usado para variar a tensão de saída correspondente à tensão de entrada aplicada. Para uma entrada de até 40 V, a saída pode variar de 1,25 V a 37 V.

Existe um OPAM (amplificador operacional) embutido no IC cuja entrada inversora está conectada ao pino de ajuste. A entrada não inversora é definida por uma referência de tensão de banda proibida cuja tensão é independente da temperatura, fonte de alimentação e carga do circuito. Portanto, o LM317 fornece uma tensão de referência estável de 1,25 V em seu pino de ajuste. A tensão de referência de 317 pode ser de 1,2 V a 1,3 V. A tensão de saída de 317 pode ser ajustada em uma faixa definida usando um circuito divisor de resistor entre a saída e o terra.

Para definir a tensão desejada na saída do LM317, um circuito divisor de tensão resistivo é usado entre o pino de saída e o terra. Pelo efeito desta configuração, a tensão no pino de saída pode ser ajustada. O valor do divisor de tensão resistivo precisa ser escolhido de forma que possa fornecer a faixa de tensão necessária na saída. O circuito divisor de tensão possui um resistor de programação que possui uma resistência fixa (mostrada como R1 nos esquemas) e outra é um resistor variável (mostrado como RV1 nos esquemas). Ao definir uma relação perfeita entre o resistor de feedback (resistor fixo) e o resistor variável, a tensão de saída desejada correspondente à tensão de entrada pode ser obtida.

Para melhor desempenho do IC, o resistor fixo ou programável R1 deve ser conectado o mais próximo possível do IC regulador para que haja menos queda de linha ou menos ruído na saída. O RV1 deve ser conectado próximo ao aterramento da carga para detecção de aterramento e para melhorar a regulação.

O LM317 tem a seguinte dissipação de energia tolerável internamente –

Pout = (Temperatura máxima de operação do IC)/ (Resistência Térmica, Junção-Ambiente + Resistência Térmica, Junção-Caixa)

Pout = (150) / (65+5) (valores conforme ficha técnica)

Beicinho = 2 W

Portanto, o LM317 pode sustentar internamente uma dissipação de potência de até 2 W. Acima de 2 W, o IC não tolerará a quantidade de calor gerada e começará a queimar. Isso também pode causar um sério risco de incêndio. Portanto, é necessário um dissipador de calor para dissipar o calor excessivo do IC.

Para carregar a bateria de íons de lítio de 3,7 V é necessária uma tensão de entrada de 4,2 V. Portanto, para definir a tensão de saída 317 em 4,7 V, RV1 deve ser definido na posição necessária. Variando a tensão de saída RV1 entre 1,1V e 10,4V pode ser obtida.

Quando não há raios solares ao redor, o painel solar não tem voltagem. Nos terminais de saída, a bateria ainda possui alguma tensão, o que faz com que a tensão de saída exceda a tensão de entrada (tensão do painel solar). Portanto, há um fluxo reverso de corrente da saída para o lado de entrada e a bateria começa a descarregar através do IC regulador 317 causando danos a ela. Ao usar um diodo na saída, o fluxo reverso de corrente do terminal de saída (bateria) para o terminal de entrada (painel solar) através de 317 pode ser evitado, mantendo assim o IC regulador de tensão seguro.

As seguintes precauções devem ser tomadas durante a montagem do circuito –

• Para conduzir alta corrente de carga na saída, o dissipador de calor deve ser montado nos furos do regulador. Isso impedirá que o IC do regulador exploda. O 317 IC pode lidar internamente com dissipação de energia de apenas até 2W.

• A tensão de queda do IC LM317 é de cerca de 1,5 V a 2,5 V, dependendo da corrente de saída. Portanto, a tensão de entrada deve ser 1,5 V a 2,5 V maior que a tensão de saída desejada.

• Deve ser usado um diodo (mostrado como D1 nos esquemas) que receba menos queda para não reduzir a tensão de saída. É por isso que é usado o diodo 1N5819, que sofre menos quedas.

• Para conduzir cargas elevadas, deve ser utilizado um painel solar de alta potência.

Depois que o circuito estiver montado, meça as leituras de tensão e corrente usando um multímetro. Para carregar uma bateria de 3,7 V, uma tensão de 4,2 V é mais adequada. A corrente máxima fornecida pelo painel solar é dada por –

Imax = Potência do painel solar/Tensão do painel solar

Imáx = 15/22

Imáx = 681mA

Com esta corrente, o tempo necessário para carregar a bateria será o seguinte –

Tempo necessário para carregar, T = 1Ah/0,681A = 1,46 horas (aproximadamente)

A corrente da bateria de 3,7V é de 2mA. A corrente consumida pela bateria depende do status de carregamento. Ele consome menos corrente quando está totalmente carregado.

Como a tensão de entrada do painel solar é 22 V e a tensão de saída do regulador 317 é 4,2 V, a dissipação de energia através do IC do regulador é derivada da seguinte forma –

Preg = (Vin – Vout)*Ibatt

Preg = (22 – 4,2)*0,002

Preg = 35,6mW

Embora a dissipação de energia do IC do regulador seja inferior ao limite tolerável internamente de 2 Watts, ainda é recomendado usar um dissipador de calor para ajudar no resfriamento do IC do regulador e aumentar sua vida útil.

A fonte de energia solar regulada projetada neste projeto fornece tensão regulada e ajustável de 1,1V a 10,4V variando o potenciômetro RV1. Portanto, qualquer bateria ou circuito de carga que precise de uma tensão entre 1,1 V e 10,4 V pode extrair energia deste circuito. Como esta fonte de energia solar fornece corrente máxima de 681mA, qualquer bateria ou circuito que utilize a corrente máxima de 681mA pode ser conectado a ela.

Fonte de alimentação de energia solar regulada por diagrama de circuito