《電子技術(shù)應(yīng)用》
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太陽能電池板效率計
摘要: 采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個微控制器和一個ADC,就可以構(gòu)成一個效率計,并用該效率計實時測量和計算效率,最后在LCD顯示屏上顯示結(jié)果。
Abstract:
Key words :

  在極端環(huán)境中對原型系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試

     在現(xiàn)場測試設(shè)備或產(chǎn)品時,資源、材料限制、調(diào)試和時間壓力都具有挑戰(zhàn)性。不過,正是失敗才是現(xiàn)場測試工作的成功之母,而且在現(xiàn)場測試中積累的經(jīng)驗也有助于設(shè)計師對系統(tǒng)的全面了解。我們要測試的是,由太陽能供電的 12V 鉛酸汽車電池充電電路原型系統(tǒng),我們要用這個汽車電池給 LED 燈、音頻系統(tǒng)、用于露營淋浴器和噴霧系統(tǒng)的水泵等供電,要證明該充電電路不會損壞并能正常工作。我們的測試環(huán)境是美國炎熱的內(nèi)華達(dá)州沙漠,那里沒有水、沒有陰涼處、沒有電,什么都沒有。在這樣的條件下,活著的惟一指望是,用貨運(yùn)汽車裝運(yùn)幾天中所需的一切,然后再一樣不少地全都運(yùn)回來。從每個方面來說,這都是一個完美的測試環(huán)境,可確定系統(tǒng)是否足以提供舒適的生活條件。
 
  “真刀真槍”地驗證自己的設(shè)計

     對于諸如此類的現(xiàn)場測試,失敗的后果是,會產(chǎn)生一種非常糟糕的感受。人們普遍認(rèn)為,必須監(jiān)視充電系統(tǒng),以防止電池電量完全耗盡。因此,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量,并實時收集測量數(shù)據(jù),以保持并恢復(fù)電池壽命。我們所采用的器具包括一個 DC1688 演示電路板,該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽能電池充電控制器,該控制器連接到Solec公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽能電池板,這個太陽能電池板的最高電壓為 17V,電流為 4.45A 1

  1 Solec SQ-70 太陽能電池板特征參數(shù):

     額定功率:在 25oC 時為 75W

     最高電壓:17.00V

     最大電流:4.45A

     短路電流:4.75A
 
  開路電壓:21.40V

     尺寸:46.8 英寸 x 20.9 英寸 x 1.5 英寸

     重量:16.5 磅/7.5 千克

  問題是,如果我們開始時電池是充滿電的,并在白天始終保持充電,那么要想整夜使用 LED 燈、支持用于淋浴器的 12V 水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、用 12V 汽車音頻放大器播放幾個小時的 iPod 音樂以及給其他外部設(shè)備再充電,Solec 70W 太陽能電池板能提供足夠的電力、給電池充上所需的電量嗎?

  這類測試的關(guān)鍵部分是測試充電電路的效率。充電電路最大限度地給電池充電了嗎?充電電路最大限度地利用太陽光照和太陽能電池板了嗎?盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來測量效率并不難,但是攜帶 4 個萬用表和一個計算器去沙漠,不斷讀取讀數(shù)和測量值,是不現(xiàn)實的。不過,我們可以使用內(nèi)部開發(fā)的“效率計”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個微控制器和一個 ADC,就可以構(gòu)成一個效率計,并用該效率計實時測量和計算效率,最后在 LCD 顯示屏上顯示結(jié)果。無需萬用表、無需計算器,最重要的是,無需電腦。該系統(tǒng)用一個僅為 9V 的電池和內(nèi)部嵌入式編程,就可以獨(dú)立工作了,這使得該系統(tǒng)非常便于攜帶。就優(yōu)化太陽能電池板充電系統(tǒng)而言,實時效率數(shù)據(jù)極為有用,例如,在給太陽能電池板定位時,有了實時效率數(shù)據(jù),就不用靠猜測行事了,另外利用實時效率數(shù)據(jù)還可以確定白天什么時間充電效率最高、恰當(dāng)?shù)仡A(yù)算電池電量的使用等。

  凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個 PIC 微控制器,該微控制器與 DC571A 演示電路板連接。DC571A 演示板由一個 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個通道,其中兩個通道測量 VIN 和 VOUT,另外兩個通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測放大器,以電壓形式測量 IIN 和 IOUT,因為電壓與電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改,電阻器更換為實現(xiàn) 0.1V/1A 的比率。

  將 LTC2418 (ADC DC571A) 演示電路板連接到 DC590B 的微控制器接口,這很容易,然后記錄 ADC 4 個差分通道上的代碼、獲取所測電壓的瞬時值、轉(zhuǎn)換、計算效率并將結(jié)果顯示在 LCD 上。 最終結(jié)果是,我們得到了一個簡單明了的系統(tǒng),可顯示Vs  (太陽能電池板電壓)、IIN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、IOUT (從電池充電器到 12V 鉛酸電池的輸出電流) 和計算所得的效率 (Vb x IOUT) / (Vs x IIN) x 100。

  讓每個通道都作為差分電壓測量通道工作意味著,VIN 和 VOUT 的接地通道需要連在一起。在我的設(shè)計中,通道 3、5、7 和 9 連接至地。通道 2 和 6 是 Vs 和 Vb。通道 4 和 8 是 IIN 和 IOUT。該 ADC 具 2.5V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓限制,因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個分壓器,以保持處于 20V 的最大輸入范圍內(nèi)。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率,而內(nèi)部代碼用來重新計算真正的電壓值,所使用的少量糾錯可以忽略不計。

  在極端環(huán)境中對原型系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試

     在現(xiàn)場測試設(shè)備或產(chǎn)品時,資源、材料限制、調(diào)試和時間壓力都具有挑戰(zhàn)性。不過,正是失敗才是現(xiàn)場測試工作的成功之母,而且在現(xiàn)場測試中積累的經(jīng)驗也有助于設(shè)計師對系統(tǒng)的全面了解。我們要測試的是,由太陽能供電的 12V 鉛酸汽車電池充電電路原型系統(tǒng),我們要用這個汽車電池給 LED 燈、音頻系統(tǒng)、用于露營淋浴器和噴霧系統(tǒng)的水泵等供電,要證明該充電電路不會損壞并能正常工作。我們的測試環(huán)境是美國炎熱的內(nèi)華達(dá)州沙漠,那里沒有水、沒有陰涼處、沒有電,什么都沒有。在這樣的條件下,活著的惟一指望是,用貨運(yùn)汽車裝運(yùn)幾天中所需的一切,然后再一樣不少地全都運(yùn)回來。從每個方面來說,這都是一個完美的測試環(huán)境,可確定系統(tǒng)是否足以提供舒適的生活條件。
 
  “真刀真槍”地驗證自己的設(shè)計

     對于諸如此類的現(xiàn)場測試,失敗的后果是,會產(chǎn)生一種非常糟糕的感受。人們普遍認(rèn)為,必須監(jiān)視充電系統(tǒng),以防止電池電量完全耗盡。因此,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y量,并實時收集測量數(shù)據(jù),以保持并恢復(fù)電池壽命。我們所采用的器具包括一個 DC1688 演示電路板,該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽能電池充電控制器,該控制器連接到Solec公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽能電池板,這個太陽能電池板的最高電壓為 17V,電流為 4.45A 1

  1 Solec SQ-70 太陽能電池板特征參數(shù):

     額定功率:在 25oC 時為 75W

     最高電壓:17.00V

     最大電流:4.45A

     短路電流:4.75A
 
  開路電壓:21.40V

     尺寸:46.8 英寸 x 20.9 英寸 x 1.5 英寸

     重量:16.5 磅/7.5 千克

  問題是,如果我們開始時電池是充滿電的,并在白天始終保持充電,那么要想整夜使用 LED 燈、支持用于淋浴器的 12V 水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)、用 12V 汽車音頻放大器播放幾個小時的 iPod 音樂以及給其他外部設(shè)備再充電,Solec 70W 太陽能電池板能提供足夠的電力、給電池充上所需的電量嗎?

  這類測試的關(guān)鍵部分是測試充電電路的效率。充電電路最大限度地給電池充電了嗎?充電電路最大限度地利用太陽光照和太陽能電池板了嗎?盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來測量效率并不難,但是攜帶 4 個萬用表和一個計算器去沙漠,不斷讀取讀數(shù)和測量值,是不現(xiàn)實的。不過,我們可以使用內(nèi)部開發(fā)的“效率計”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個微控制器和一個 ADC,就可以構(gòu)成一個效率計,并用該效率計實時測量和計算效率,最后在 LCD 顯示屏上顯示結(jié)果。無需萬用表、無需計算器,最重要的是,無需電腦。該系統(tǒng)用一個僅為 9V 的電池和內(nèi)部嵌入式編程,就可以獨(dú)立工作了,這使得該系統(tǒng)非常便于攜帶。就優(yōu)化太陽能電池板充電系統(tǒng)而言,實時效率數(shù)據(jù)極為有用,例如,在給太陽能電池板定位時,有了實時效率數(shù)據(jù),就不用靠猜測行事了,另外利用實時效率數(shù)據(jù)還可以確定白天什么時間充電效率最高、恰當(dāng)?shù)仡A(yù)算電池電量的使用等。

  凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個 PIC 微控制器,該微控制器與 DC571A 演示電路板連接。DC571A 演示板由一個 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個通道,其中兩個通道測量 VIN 和 VOUT,另外兩個通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測放大器,以電壓形式測量 IIN 和 IOUT,因為電壓與電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改,電阻器更換為實現(xiàn) 0.1V/1A 的比率。

  將 LTC2418 (ADC DC571A) 演示電路板連接到 DC590B 的微控制器接口,這很容易,然后記錄 ADC 4 個差分通道上的代碼、獲取所測電壓的瞬時值、轉(zhuǎn)換、計算效率并將結(jié)果顯示在 LCD 上。 最終結(jié)果是,我們得到了一個簡單明了的系統(tǒng),可顯示Vs  (太陽能電池板電壓)、IIN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、IOUT (從電池充電器到 12V 鉛酸電池的輸出電流) 和計算所得的效率 (Vb x IOUT) / (Vs x IIN) x 100。

  讓每個通道都作為差分電壓測量通道工作意味著,VIN 和 VOUT 的接地通道需要連在一起。在我的設(shè)計中,通道 3、5、7 和 9 連接至地。通道 2 和 6 是 Vs 和 Vb。通道 4 和 8 是 IIN 和 IOUT。該 ADC 具 2.5V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓限制,因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個分壓器,以保持處于 20V 的最大輸入范圍內(nèi)。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率,而內(nèi)部代碼用來重新計算真正的電壓值,所使用的少量糾錯可以忽略不計。

  最后一步是讓該系統(tǒng)具有足夠的便攜性,以靠一個 9V 堿性電池工作,方便隨身攜帶,但又要使該系統(tǒng)足夠靈活,以使用 12V 鉛酸電池。DC823B 演示電路板采用 LTM4600 降壓型微型模塊 (µModule®) 穩(wěn)壓器,該穩(wěn)壓器的最大輸入電壓范圍為 20V,可調(diào)節(jié)提供給整個太陽能電池板電池充電器系統(tǒng)的 5V 電壓 (圖 1) 。用 5V 輸出選擇跨接線將 9V 堿性電池連接到該演示電路板的VIN 端。LTM4600 的 BURST 模式在輕負(fù)載時效率較高,有助于延長電池壽命。通過在現(xiàn)場依靠最終產(chǎn)品工作,我們對最終產(chǎn)品進(jìn)行了從設(shè)計到原型系統(tǒng)的 β 測試。

  圖 1:可在 LCD 顯示屏上實時顯示結(jié)果的太陽能電池板效率計;從左至右依次是:

  DC823B 演示電路板 (LTM4600  -  降壓型微型模塊穩(wěn)壓器)

  DC590B 演示電路板 PIC 微控制器

  DC571A 演示電路板 (LTC2418  -  24 位、8 通道 ADC LTC2418)

  DC1116A 演示電路板 (LTC6103  -  電流檢測放大器)

  實時效率

     在沙漠中生活幾天不是一件容易的事,除非有電池電源提供一些令人舒適的條件。我們使用了一個 12V 水泵,能用淋浴器和噴霧系統(tǒng)同炎熱的天氣做斗爭 (圖 2)。晚上也令人愉快,有一串 LED 燈給營地照明。我們搭建遮蔭棚以遮蔽太陽時,使用了無繩電鉆,該無繩電鉆可再充電以連續(xù)使用 (參見圖 3)。我們甚至通過一個放大器和幾個揚(yáng)聲器播放了 iPod 音樂,度過了幾個節(jié)日般的夜晚。實時效率計幫助我們預(yù)算整個白天的功耗,不僅幫助我們定位了太陽能電池板的朝向,還幫助我們確定了設(shè)備使用多長時間后,電池電量才會耗盡。宿營仍然具有挑戰(zhàn)性,因為我們必須應(yīng)對隔斷太陽光照的沙塵暴,沙塵暴妨礙太陽能電池板給電池充電,使我們不得不限制電源的使用。不過最后,該系統(tǒng)的工作表現(xiàn)與設(shè)計初衷相吻合,電池電量從未耗盡,設(shè)計師經(jīng)受住了現(xiàn)場測試的考驗而沒有任何損失。

  圖 2:搭建遮蔭棚和使用 12V 水泵的淋浴房時使用了可再充電的工具

  圖 3:在沙漠中實現(xiàn)最高效率的系統(tǒng)配置:

  A. Solec SQ-70 75W 太陽能電池板

  B. 12V 鉛酸汽車電池 (兩個電池裝在綠色箱子中;一個用于充電,另一個用于工作)

  C. Ryobi 無繩電鉆的充電器和電池

  D. 用于淋浴器和冷卻噴霧系統(tǒng)的水泵

  E. 法式咖啡壺,早上提神用

  F. 揚(yáng)聲器用作桌子的腿,配合廢棄木板搭成桌子
 

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