Un circuito de control de punto de máxima potencia de panel solar de ingenuo

Question

Estoy jugando con un panel solar, sólo para probar cosas y aprender en el proceso (no tratar de producir algo en realidad yo lo uso).
Su colocación es muy lejos de ser el óptimo, verticalmente detrás de una ventana apuntando al sur-oeste. En la tarde se pone un poco cerca de las condiciones óptimas del sol la luz que sale de un decente ángulo. El resto del tiempo trabaja fuera de la luz ambiente más o menos.
Bajo estas circunstancias, se produce alrededor de 18-20V circuito abierto. Pero cuando conecto una carga (digamos 60mA) se baja rápidamente a 5V (estos números varían mucho dependiendo de las condiciones).
Todo esto es normal y esperable, pero me pregunto si hay una manera fácil de obtener más potencia de la misma. Por lo que he leído acerca de solares, controladores de carga, MPPT, etc. Me podrían acaba de comprar uno y hacer, pero mi objetivo no es en realidad el uso del panel para nada (me acabo de comprar porque era relativamente barato y sonaba como un gadget divertido para jugar con). Por lo tanto, estoy tratando de ver lo que puedo hacer yo con las partes en todo mentira.
Hasta ahora he venido para arriba con esto:

^{simular este circuito – Esquema creado mediante CircuitLab}

La Carga es un ajustable paso abajo del convertidor buck, con un fornido 1000uF de la pac a través de su salida, la cual es luego encender un arduino pro micro a través de un INA219 de voltaje y corriente del monitor de breakout y tiene un LCD conectado a la pantalla de voltaje y corriente.
El arduino y LCD consumen alrededor de 60mA a 5V. También puede adjuntar una carga adicional, como una batería de LiPo cargador y su consumo de corriente también será medido.
El regulador es bastante malo para esta aplicación (que consume 10-20mA), pero es el único que yo tengo que trabajar con estos voltajes de entrada.

Ahora, hasta el punto: La idea de este circuito es mantener la tensión del panel solar cerca de su máximo de voltaje de alimentación. Cuando el panel de caídas de tensión (debido a la insuficiencia actual) debajo de un cierto umbral (que se puede ajustar con el bote) el comparador de salida será baja y cortar la masa de la carga a través de la M1. Esto dará como resultado en el panel de tensión creciente (debido a la ausencia de carga), y el comparador de salidas de alta de nuevo, permitiendo que la corriente fluya a través de la carga. Entonces el voltaje sería caer de nuevo etc. etc.
El resultado es la rapidez de la conmutación de la carga y se apaga, pero manteniendo Vcc cerca de su valor óptimo, lo que debería redundar en un aumento de la potencia de salida.
Si el panel produce suficiente alimentación, Vcc no va a caer debajo de la tensión de umbral y de todo el circuito se comportan más o menos como si la carga se conecta directamente al panel.

Es una especie de funciona - yo era capaz de alimentar el arduino a través de él al mediodía, mientras que la conexión de la carga directamente al panel, no lo haría. Así que hay al menos un mínimo de ganancia.
Pero luego me di cuenta de que el M1 tiene un poco caliente al tacto. En mi (muy poco) la experiencia indica que el NMOS no es siempre completamente abierta o completamente cerrada. Lo cual es extraño, ya que su puerta se alimenta de un comparador, así debería ser siempre muy cerca de la TIERRA o el voltaje zener (que mide alrededor de 5.4 V). Busca en la hoja de datos de IRF510, parece completamente posible que no se encuentra plenamente en 5.4 V.
Pero entonces me decidí a comprobar el voltaje de la puerta con un osciloscopio. Se nota que no es un verdadero profesional del osciloscopio, es algo que yo hice (un arduino medición analógica voltajes tan rápido como puede, y el envío de los datos a través de puerto serie de la PC). Por lo que es lento, impreciso, pero todavía bastante útil en muchos casos.
Aquí es lo que el voltaje de la puerta se ve como:


Y aquí es Vcc (voltaje del panel):


Así se hace el trabajo un poco, pero parece que el M1 es impulsada constantemente en el "intermedio" de la región (nunca totalmente o totalmente apagado). Lo que significa Rds no es tan bajo como debe ser y no hay pérdidas de energía como resultado. El calor no es un problema por sí mismo (no muy caliente, sólo un poco caliente al tacto), pero la pérdida de poder como este en esta aplicación es un poco de verguenza :)
Alguna idea de por qué el voltaje de la puerta no es nítida onda rectangular de ~0V ~5.4 V?
Puede ser la de la velocidad de conmutación? De acuerdo a mi "de madera", que es de alrededor de 14.6 Kz, que no debe ser ningún problema para IRF510. O estoy equivocado?
O es el comparador de ser un chico malo y no sale nítida de valores ALTOS y BAJOS, pero algo intermedio?
O es algo más?
Ah, y mientras escribía esto me acabo de dar cuenta que debo mover el pullup en el comparador de salida de voltaje zener a Vcc, por lo que la salida de ALTA potencia es de alto voltaje. Supongo que van a mejorar las cosas, pero no resuelven el problema con el "intermedio" de los niveles de voltaje en la puerta. Sólo tengo que tener cuidado, como Vcc puede ir por encima de 20V, que es el máximo de la puerta-fuente de voltaje especificado para IRF510.

EDIT: Debido a la falta de respuestas y de mi fracaso en la comprensión de lo que está pasando en rediseñado el circuito, así que en lugar de la LM2903P comparador ahora estoy usando un ATTiny85 - el mismo factor de forma (DIP8) y para el momento de hacer la misma cosa ... casi. He añadido histéresis y abandonó el potenciómetro (reemplazado por un fijo de un divisor de tensión), porque ahora puedo controlar los voltajes de umbral en el software.
Ahora, las cosas se ven como deberían:

Verde (canal 1) es el voltaje del panel y roja (canal 2) se MOSFET de la tensión de puerta.
Ahora estoy alimentando el ATTiny de un regulador de voltaje (la misma que se usa para estar en la parte delantera de la carga), el MOSFET es ahora BS170 en lugar de IRF510 (debido a la menor umbral de la puerta).
El consumo de energía subió un poco el ATTiny es el muestreo del ADC constantemente, no hay tiempo para dormir, que consume ~10mA, en comparación con los menos de 1mA el consumo de energía de la comparador de IC, pero no es mucho de un gran negocio.
Esto hace desplazar el problema de software (que es de mi zona de confort) y abre un montón de posibilidades, pero completamente pierde el punto de todo el ejercicio - para aprender más acerca de la electrónica.
Así que, yo todavía amo a saber lo que estaba mal con el circuito original usando un comparador de IC, y por qué no producir la bonita plaza de ondas, como las que tengo con el microcontrolador.

Answer 1

En primer lugar, gran trabajo hasta ahora. Sin duda hay fichas de módulos y que podría hacer esto para usted y con una eficiencia mayor que uno realmente podría obtener utilizando circuitos discretos, pero el uso de ellos serían de poco valor educativo. Simplemente jugando y la reinvención de la rueda de la materia en la mano es una gran manera de aprender, y parece que estamos haciendo el 'jugando' parte muy bien. Y un osciloscopio es un osciloscopio. La única diferencia entre un 'profesional' uno y un arduino muestreo por muy duro que pueda es lo que se puede medir. Si la cosa se está midiendo puede ser medido con la suficiente precisión con un 'arduinoscope', entonces no hay ninguna diferencia entre ella y un 'profesional' del osciloscopio. Sólo asegúrese de que puede confiar en su código y es una perfecta herramienta adecuada para lo que estás haciendo.

Ahora, para responder a tu pregunta!

No hay nada de malo con su circuito comparador. De hecho, se está comportando exactamente como debería. Que por desgracia no es como esperabas o la intención de que se comporte (electrones simplemente no se preocupan por nuestras intenciones, hacen lo que quieren!).

Este es un problema común que he visto cuando alguien en casa con la electrónica digital comienza a entrar en los circuitos analógicos y piensa en él como si fuera digital. No, no. Las cosas no son de alta o baja, encendido o apagado. Y cualquier lazo cerrado del circuito de control (lazo cerrado significado la salida puede tener el efecto de la entrada - en este caso, el comparador puede tener el efecto de la tensión se ve en su entrada inversora) se va a resolver en un determinado punto de operación, o simplemente oscilan inútilmente (porque es inestable debido a que están tomando demasiado tiempo para reaccionar o fuera de fase con la retroalimentación).

Los comparadores no son digitales. Ellos se comportan de manera no lineal si son de lazo abierto, y son los más 'digitalmente' en ese caso de uso. Lazo abierto significa que su salida no tendrá efecto en su entrada. Este es, por supuesto, no es el caso en su circuito. Y aquí está el secreto sucio: los comparadores son sólo una alta ganancia de amplificadores diferenciales. En otras palabras, son los amplificadores internos resistencias dispuestas en un amplificador diferencial topología para el bien de la conveniencia. Tienen una muy alta ganancia, pero no es infinito. Si usted tiene un cerrado bucle de retroalimentación negativa, exactamente como usted lo hace, va a comportarse como un op amp. No es una puerta lógica digital, es un dispositivo analógico que está diseñado para interactuar con el circuito digital, pero no lo está utilizando como eso.

También, un MOSFET no es digital. Ellos no son los interruptores. Son transimpedance amplificadores. De hecho, BJTs se comportan mucho más como interruptores de MOSFETs hacer. Fet puede ser modelada como una tensión controlada de la resistencia, y una muy lineal en 'el intermedio' voltajes. Lo que ustedes llaman intermedio es conocida como la región lineal - y MOSFETs tienen una muy amplia región. Mucho mayor que la de otros semiconductores. Un FET es acerca de los menos de conmutación digital elemento que se puede encontrar.

Como el voltaje de la puerta se hace mayor, pierde su sentido lineal del voltaje de Rds comportamiento, pero para llegar a el punto donde está 'on', debe cruz que la región lineal. Su comparador no se va a convertir en el MOSFET bruscamente debido a que rápidamente se acercan en el intermedio de tensión, como el op amp en secreto es, y hacer todo lo que se necesita para mantener la tensión en sus entradas el mismo. Es oscilante cerca del ideal del punto de control debido a que está configurado para ser un comparador, pero QUIERE convertir a la MOSFET en parte, se quiere hacer es una resistencia, y está haciendo un trabajo decente, a pesar de estar configurado para un fin muy distinto. La verdadera naturaleza y el op amp corazón de un comparador se revela a sí mismo.

Por qué no quiere la FET a ser un resistor? Porque eso es lo que tiene que hacer. Si el voltaje pasa por encima de su noninverting terminal, se convertirá en el FET hasta que el voltaje cae por debajo de la inversión de la terminal, y se va para atrás. Si pudiera, se iría a un voltaje específico que mantiene la FET activa sólo lo suficiente para mantener el voltaje en sus terminales iguales. No puede hacer eso, pero se está tratando y que se sigue haciendo a medio camino respetable trabajo de lograr que, incluso si se está oscilando alrededor de la tensión en lugar de posarse en ella. Nunca gire el FET rápidamente, o incluso todo el camino, ya que el panel de la caída de tensión demasiado. El ATtiny es incapaz de reaccionar lo suficientemente rápido, y por lo que el voltaje más y undershoots por todo el lugar, pero el comparador es rápido y reacciona de forma continua.

Y funciona a la perfección. Es el seguimiento del punto de potencia que se ha fijado para el panel. Le hemos dado un resistor se puede controlar, así que va a variar la resistencia de los MOSFET como sea necesario para mantener el voltaje en el panel cerca del punto de ajuste. Lo que hemos construido es un poco torpe potencia constante carga ficticia. Se está poniendo caliente debido a que el panel no puede entregar la potencia consumida por el 100Ω resistencia, de modo que el MOSFET está siendo utilizado de forma dinámica añadir una resistencia en serie hasta un punto de energía se realiza el seguimiento. Pero sólo agregar suficiente resistencia a la pista que power point, y bajar o subir a constantemente consumir esa cantidad de energía. Por lo que debe ser caliente. No porque algo está mal, sin embargo. El circuito está funcionando, o intentándolo. Si usted utiliza una adecuada amp op, no iba a oscilar, y en lugar de mantener a cualquier resistencia que se necesita para consumir un fijo vatiaje del panel.

Esta es la razón por la MPPT es duro. No se puede realizar el seguimiento de un punto de energía girando la carga y se apaga, usted acaba de conseguir el enorme tensión oscilaciones arriba y abajo como usted consulte con su ATTiny. Usted no puede entregar toda la potencia a la carga sin necesidad de cambiar algo de encendido y apagado, porque otra cosa significa quemar el exceso de energía. Esta es fundamentalmente la misma razón de los reguladores lineales funcionan como lo hacen. Este es, en realidad sólo un regulador lineal. Es la regulación de la tensión. No importa que es el voltaje de un panel solar. Todavía es lineal, y es todavía tratando de mantener la tensión en un punto determinado. Y la única manera de que hacer eso es por la quema de apagado de potencia en forma de calor. Que es exactamente lo que está haciendo.

No hay ningún problema de software aquí. Ninguna cantidad de software puede superar este problema, por desgracia. Si desea eficiencia, usted puede utilizar lineal de seguimiento del punto de energía. Usted tendrá que hacer es cambiar (que yo sepa fue su intención original), y se necesita un dispositivo de almacenamiento de energía que va a ser, alternativamente cargada y descargada por el interruptor. Lo que acabo de describir, y lo que usted está visualizando (incluso si usted no se dio cuenta de ello) es un regulador de conmutación. Recomiendo un inductor como su dispositivo de almacenamiento de energía. Un PWM de control de chip funciona en lugar de comparador. Un TL494 es un clásico.

No hay manera de hacer esto con cualquier cantidad de la eficiencia en la forma en que has configurado, no importa el software o cualquier otra cosa. Un MPPT controlador es generalmente una entrada de seguimiento de buck-boost regulador para que la razón, la que carga una batería o un condensador a través de un inductor. Construcción de un circuito que está más allá del alcance de esta respuesta, pero es sin duda vale la pena dar 'TL494 MPPT' una rápida en google. La búsqueda de la imagen trae un montón de ejemplos. Usted podría tratar de hacerlo con el attiny85 el control de los MOSFET, pero usted tendrá que agregar un inductor, diodos, condensadores, algunos otros componentes. Por desgracia, el problema es la física, y no ha cambiado mucho a software, ya que es, a pesar de que puede parecer. No importa lo que hagas, no podrás conseguir en la quema de ese poder sin antes agregar los componentes necesarios en una topología de conmutación.

De todos modos, la construcción de la que sería, sin duda, una excelente manera de aprender acerca de la electrónica y el miedo partes como la inductancia y el magnetismo. No es para los débiles de corazón. De cualquier manera, ¡buena suerte!