Gadgets, mint a telefonok, iPod, smartwatches, stb. életünk fontos részévé váltak. Mindannyian egy problémával szembesülnek, ez pedig a rendszeres használat után történő töltés szükségessége. Nagy aggodalomra ad okot, ha olyan helyen tartózkodik, ahol nincs áram. Az ilyen típusú problémák egyik megoldása a megújulási energiaforrásoktól függ. Különböző típusú megújuló energiaforrások léteznek, például szél, árapály, napenergia stb. A mai projektben napenergia felhasználásával töltjük fel mobiltelefonjainkat. A napenergia villamos energiává történő átalakításához napelemekre lesz szükségünk. Látni fogjuk, hogyan működik a napelem, és megtervezzük a napelemes mobiltelefon-töltő áramkört, amely feltölti mobiltelefonunkat, valamint megvédi az akkumulátort a túltöltéstől.
szükséges alkatrészek
- napelem (6V, 80mA) – 2
- mikro USB kábel -1
- LM317 feszültségszabályozó – 1
- BC547 NPN tranzisztor -1
- kis Breadboard
- potenciométer (10k)
- 1N5819 diódák – 2
- ellenállások 100 ohm és 150 Ohm – 2
- 5,6 V 1n4734a zener dióda – 1
munka a napelem
napelemek általában készült szilícium ostya. A napelemek szilíciumatomjai 4 erős kötést képeznek a szomszédos szilíciumatomokkal. Ezeknek az erős kötéseknek köszönhetően az elektronok egy helyen maradnak,és nem látható áram. Ezek a napelemek általában két réteg félvezetővel rendelkeznek. A napelem felső rétegét foszforral adalékoljuk, hogy n típusú félvezetővé alakítsuk, az alsó réteget pedig bórral adalékoljuk, hogy p típusú félvezetővé alakítsuk. Az N típusú rétegben felesleges elektronok vannak, a p típusú rétegben pedig extra lyukak vannak. Amikor a fényrészecskék megütik a napelemet, a fényben lévő fotonoknak elegendő energiájuk lesz ahhoz, hogy az elektronokat lekopogják kötésükből, ami az N-oldal felé mozog, a lyuk pedig (amelyet elektron hiánya képez) a P-oldal felé mozog. A mozgatható elektronokat ezután a napelem tetején lévő vékony fém anyagnál gyűjtik össze. Ha egy külső áramkör csatlakozik ezekhez a fémanyagokhoz, az elektronok a külső áramkörbe áramlanak, majd elérik a napelem hátulján lévő vezető alumíniumlemezt. Az elektron ezután a napelem P-típusú rétegében lévő lyukba települ. Minden napelem feszültsége 0,5 V-0,6 V. a napelemek sorba vannak kötve, hogy megkapják a szükséges feszültséget. Általában 12 sorba kapcsolt napelem elegendő a mobiltelefon töltéséhez. A napelemek három típusa létezik. Ezek Monokristályosak, polikristályosak és vékonyfilmek. Projektünkben két 6V 80mA napelemet fogunk használni. A két napelemet sorba kapcsoljuk, hogy 12V és 80mA feszültséget kapjunk. Az alábbi képen az egyetlen mini napelem látható, amely 6V kimeneti feszültséget képes generálni 80mA maximális árammal.
az alábbi kép két mini napelem soros csatlakozását mutatja, amelyek 12V kimenetet generálhatnak 80mA maximális árammal. Növelheti a kimeneti áramot az extra napelemek párhuzamos csatlakoztatásával, és minden párhuzamos csatlakozásnak két napelemet kell csatlakoztatnia sorba az 12V ellátásához.tehát ahhoz, hogy 800mA kimeneti áramot kapjon, 20 napelemekre lesz szüksége.
LM317 feszültségszabályozó
az LM317 változó feszültségszabályozó. Az LM317 használatával a feszültséget 37 V-ig változtathatjuk, maximális áramerőssége 1,5 A. a változó kimeneti feszültség eléréséhez az alábbi áramkört használjuk.
a kimeneti feszültség az alábbi képlet segítségével számítható ki:
Vout = 1,25(1 + (R2/R1))
most az R2 ellenállás értékének megváltoztatásával változtathatja a kimeneti feszültséget.
Megjegyzés: Annak ellenére, hogy a kimeneti feszültség az LM317-hez csatlakoztatott külső ellenállásoktól függ, a bemeneti feszültségnek nagyobbnak kell lennie (legalább 3V), mint a kívánt kimeneti feszültség.
USB kábel
egy régi USB-micro USB-kábelt használtam a mobiltelefon töltésére a napelemes mobiltelefon töltő áramkörével. Eltávolítottam az USB-t, és most a kábel tartalmaz egy micro USB csatlakozót, amelyet a mobiltelefonhoz és a kábel másik végén lévő 4 vezetékhez csatlakoztatnak. A micro USB kábel 4 csapból áll. Kettő az erőátvitelhez, másik kettő az adatátvitelhez. Az áramátadáshoz szükséges mikro-USB-kábel kivezetése az alábbiakban látható.
miután megismerte a csatlakozót, itt az ideje megismerni a kábel másik végén lévő csapokhoz csatlakoztatott vezetékeket. Annak meghatározásához, hogy melyik vezeték csatlakozik melyik csaphoz, multimétert használtam folytonossági módban. Ily módon megtaláltam az áramkörünk kimenetéhez való csatlakozáshoz szükséges vezetékeket.
Napelemes mobiltelefon töltő kapcsolási rajz
az alábbi kapcsolási rajz a feszültség-és áramszabályozásból, valamint a túlfeszültség-védelmi áramkörből áll. A csatlakozások a következők: a dióda (D1) anód kivezetése a napelem pozitív kivezetéséhez, a dióda (D2) katód kivezetése pedig az LM317 feszültségszabályozó bemeneti tűjéhez van csatlakoztatva. Az LM317 kimeneti kivezetése a dióda (D2) anód kivezetéséhez, a dióda (D2) katód kivezetése pedig a Zener dióda katód kivezetéséhez van csatlakoztatva. A Zener dióda anódkapcsa egy 100 ohmos ellenálláson keresztül csatlakozik a bc547 tranzisztor alapjához. A bc547 tranzisztor kollektorkapcsa egy 150 ohmos ellenálláson keresztül csatlakozik az LM317 feszültségszabályozó kimeneti csapjához. A BC547 tranzisztor emitter terminálja a GND-hez van csatlakoztatva. Az LM317 beállító csapja a potenciométer változó végéhez és a bc547 tranzisztor kollektor csatlakozójához van csatlakoztatva. A potenciométer egyik rögzített vége csatlakozik a GND-hez. A micro USB kábel VCC tűjéhez csatlakoztatott vezeték a Zener dióda katódkapcsához, az USB kábel GND tűjéhez csatlakoztatott vezeték pedig a GND-hez van csatlakoztatva.
ennek a napelemes mobiltelefon töltő áramkörnek a működése
a napelemes mobil töltő áramkör működése egyszerű megérteni. Először helyezze az egész beállítást olyan helyre, ahol a maximális napsugarakat kaphatja. A kívánt kimeneti feszültség eléréséhez állítsa be a potenciométert (multiméterrel mérje meg az áramkör kimeneti feszültségét). Miután megkaptuk a kívánt feszültséget (5V elegendő lesz a mobiltelefon töltéséhez), csatlakoztassa a mikro USB-t a mobiltelefonhoz. Ha megfelelő napsugárzás áll rendelkezésre a napelem számára, a telefon fel lesz töltve.
lássuk, hogyan védi az áramkörünk az akkumulátort a túltöltéstől. Mielőtt megértenénk a túltöltés elleni védelmet, értsünk meg egy kicsit a Zener diódáról. A Zener dióda hasonló a normál diódaéhoz, de az egyetlen különbség az, hogy fordított torzítással csatlakoztatva, bizonyos bemeneti feszültségnél a Zener dióda megkezdi a vezetést. Azt a feszültséget, amelyen a Zener dióda fordított előfeszítéssel vezet, fordított feszültségnek vagy Zener feszültségnek (Vz) nevezzük. Ha a VZ 5V Zener-diódája fordított előfeszítéssel van összekötve, és a VZ-nél nagyobb bemeneti feszültséget alkalmaz, akkor a Zener-dióda még fordított előfeszítési módban is elindul, de a Zener-diódával párhuzamos feszültség mindig 5V lesz. most, a túltöltés elleni védelemhez jön, ha a felhasználó a kívánt kimeneti feszültséget (a potenciométer változtatásával) 5V-ra állítja, és a VZ = 5V Zener-diódát választja, az áramkör jól működik, amíg az akkumulátor a töltési végén 5V alatt vagy egyenlő. Amint az akkumulátor feszültsége a töltés végén meghaladja az 5 V-ot, a Zener dióda fordított előfeszítéssel kezd vezetni (mivel a Zener feszültség 5 V). Ezáltal a bc547 tranzisztor előre torzított üzemmódban működik, amely levágja az áramkör R2 ellenállását, az áramkörünk kimeneti feszültsége pedig 1,25 volt (az LM317 képletéből, tartsa az R2 =0 értéket). Ez a feszültség nem elegendő az akkumulátor töltéséhez. Ily módon az áramkörünk nem tölti fel az akkumulátort, ha eléri a szükséges feszültséget, és az akkumulátorunk védve van a túltöltéstől.
