پیشگفتار
در این بخش مراحل کارهای انجام شده و طراحی های صورت گرفته برای ساخت مدار های شارژر باتریها و درایور موتور های dc که مورد استفاده قرار گرفته اند به اضافه مدار مولد PWM به طور دقیق تشریح شده است.
ابتدا اجمالاً مطالبی را که در گزارشهای پیشین گفته شد مرور می کنیم- معرفی سلولهای خورشیدی و علت رواج استفاده از آن در سالهای اخیر و همچنین بلوک دیاگرام مدارهای لازم. بعد از آن به تشریح مدارات لازم و تحلیل آنها خواهیم پرداخت.
3-1- مدار شارژر باتری ها
در این قسمت به تحلیل مدار شارژر باتری ها و نحوه کار آن می پردازیم. این مدار در گزارش شماره یک بررسی شده است. اما به دلیل اهمیت موضوع مجدداً به آن می پردازیم. بلوک دیاگرام مدار شارژر را در شکل زیر ملاحظه کنید.
بلوک دیاگرام مدار شارژر باتری
عملکرد این مدار به این صورت است که انرژی خارج شده از سوی صفحه فتو ولتاییک را رگوله کرده و به باتری می فرستد. در این سیستم یک پتانسیومتر برای کنترل جریان و ولتاژ، یک طراحی برای شارژ کردن دوره ای باتری و نیز یک خنثی کننده دما برای شارژ بهتر باتری در دماهای مختلف وجود دارد. هدف از طراحی این مدار یک کنترل کننده شارژ به منظور ساده بودن، بازدهی بالا و قابل اطمینان بودن است. یک سیستم متوسط خورشیدی قادر است که 12 ولت برق و یا جریانی در حدود 10 آمپر تولید کند. در این گونه سیستمها یک باتری اسیدی خشک نیز وجود دارد که قادر است انرژی تولید شده از صفحات را در خود نگه دارد و این در حالی است که یک باتری ممکن است که چندصد بار در طول روز شارژ و دشارژ گردد.
مدار نشان داده شده به طور کلی همانند یک سوییچ جریان عمل می کند که بین ترمینال PV و باتری قرار دارد. در این سوییچ، دیود D1 باعث جلوگیری از برگشت جریان از باتری به سلول خورشیدی می گردد. هنگامی که ولتاژ باتری از ولتاژ ماکزیمم کمتر باشد، مقایسه گر IC1a روشن می گردد و دو مقدار Q1 و Q3 را با هم مقایسه می کند که این عمل باعث می شود جریان برای شارژ به سمت باتری حرکت کند. توجه داشته باشید که Q3 یک MOSFET کانال P است که باعث می شود مدار یک زمین مشترک با باتری و صفحه داشته باشد. هنگامی که باطری به شارژ کامل رسید، IC1a همانند یک مقایسه گر و بر اساس یک Schmidt Trigger Oscilator عمل می کند. این سوییچ باعث خاموش و روشن شدن جریان سلول خورشیدی می گردد و از نوسان ولتاژ روی نقطه تنظیم باتری جلوگیری می کند. در نقطه بحرانی یک OP AMP نیاز است که به خوبی عمل کند. باید به خاطر داشته باشید که OP AMP 741 برای استفاده در این قسمت مناسب نیست و عملکرد چندان خوبی نخواهد داشت.
ترانزیستور Q1 باعث سوییچ کردن بقیه مدار می گردد؛ البته در صورتی که ولتاژ PV به قدر کافی زیاد باشد که بتواند باتری را شارژ نماید. از طرفی دیگر در شب باعث می شود که این سوییچ خاموش شود. چرا که ولتاژ کافی در دو سر صفحه وجود ندارد که بتواند باتری را شارژ نماید. در نتیجه ترانزیستور Q1 در حالت خاموش قرار دارد.
IC2 یک ولتاژ 5 ولت رگوله شده را تولید می کند تا بتواند انرژی لازم را برای مقایسه گرها فراهم نماید و به عنوان یک ولتاژ مرجع عمل می کند.
LED های قرمز و سبز که از قسمتهای IC1a و IC1b خارج می شوند، نشاندهنده عمل شارژ شدن باتری است. اگر باتری در حال شارژ شدن باشد، LED سبز، روشن خواهد شد و اگر باتری در چنین حالتی نباشد، LED قرمز، روشن خواهد شد.
پایه شماره 5 IC1b تنها به یک نقطه مرکزی نیاز دارد تا همانند یک مقایسه گر عمل کند و تنها به پایه شماره 2 IC1aمتصل است تا نیازی به زمین نداشته باشد.
مقاومتها و مقاومتهای گرمایی توان بالا در قسمت ورودی IC1a باعث فراهم شدن یک پل می شود که برای مقایسه کردن ولتاژ باتری و ولتاژ مرجعی که از قسمت IC2، R8 و R9 می آید، به کار می رود.
3-2- مدار کنترل کننده موتور:]1 [ و ]2 [
تا این مرحله موفق به مهار انرژی دریافتی از سلولهای فتو ولتاییک و ذخیره آنها در باتری شده ایم. حال باید از این انرژی در راه اندازی موتورها استفاده کرد. در این پروژه از دو موتور dc استفاده شده است. علت استفاده از دو موتور به جای یک موتور، دادن امکان تغییر جهت حرکت با استفاده از تغییر جهت چرخش موتورها و یا تغییر سرعت چرخش آنها به هدایت کننده قایق است. با این کار عملاً نیازی به استفاده از سکان نیست( هرچند برای شرایط اضطراری باید یک سکان و پدالهای غیر الکتریکی و یا پارو در قایق موجود باشد.).
برای راه اندازی هر موتور باید یک مدار راه انداز طراحی کنیم. از آنجایی که موتور باید بتواند در هر دو جهت کار کند
دیاگرام مدار راه انداز موتور (H-Bridge)
بیس دو ترانزیستور 1 و 4 با یک فرمان و بیس دو ترانزیستور 2 و 3 نیز با یک فرمان تحریک می شوند. هنگامی که ترانزیستورهای 1 و 4 کار می کنند، ترانزیستورهای 2 و 3 در حالت قطع قرار دارند و جریان از چپ به راست از موتور می گذرد. هنگامی که ترانزیستورهای 2 و 3 کار می کنند، ترانزیستورهای 1 و 4 قطع می باشند و جریان از راست به چپ از موتور می گذرد. بنابراین موتور در هر دو جهت قابل راه اندازی است.
در این پروژه به دلیل نیاز به عبور جریان بالا با وجود ولتاژ 30 ولت از موتور، به جای ترانزیستور از IRF740 MOSFET استفاده شده است.
شکل صفحه بعد نیمی از مدار را نشان می دهد. یعنی با مدار فوق می توان موتور را در یک جهت راه انداخت. علت پیچیدگی بخش فوقانی مدار جلوگیری از داغ شدن IRF بالایی است. چون اگر بخواهیم IRF بالایی را با ولتاژ منبع تغذیه اصلی مدار راه بیاندازیم، به علت قرار گرفتن در حالت خطی به شدت داغ می شود و حداقل باعث هدر رفتن انرژی ذخیره شده در باتری می شود. بنابراین با استفاده از یک منبع تغذیه ایزوله و یک اپتو انکودر 4N26، IRF بالایی را راه انداختیم. در پیاده سازی انجام شده منبع مستقل با استفاده از یک مبدل dc به dc ساخته شده است. در واقع برای کل مدار نیاز به دو مبدل DC/DC داریم که بدین منظور از دو IC BMR 614 2410/11 که ساخت شرکت ERICSSON می باشد، استفاده شده است(مدار درایور دو موتور نیاز به چهار مبدل DC/DC دارد.).
نیمی از مدار H-Bridge با جزییات بیشتر
طبق آنچه در شکل مشاهده می کنید، فرمان قطع یا وصل توسط یک ولتاژ 5 ولت دیجیتال( که توسط یک رگولاتور 5 ولت فراهم شده است ) به اپتو انکودر رسیده و پس از عبور از آن و تفکیک ولتاژ به یک ترانزیستور BD139 می رسد. BD139 این ولتاژ را تقویت کرده به گیت IRF بالایی می رساند. ضمناً همین فرمان نیز به گیت IRF پایینی رسیده و مجموعاً دو IRF باعث حرکت موتور در جهت مورد نظر و یا توقف آن می شوند.
دو دیود نیز روی درین و سورس هر دو IRF برای جلوگیری از امکان آسیب دیدن آنها در اثر جریان برگشتی از موتور قرار داده شده است.
بعد از پیاده سازی مدار فوق، برای دادن فرمان لازم به موتور لازم است توسط یک کلید ولتاژ لازم را به بیس ترانزیستورهای (4و1) و (2و3) بدهیم, به طوری که هر زوج از ترانزیستورها در یک زمان فعال باشند و هیچگاه هر دو زوج به طور همزمان فعال نگردند.
در این مدار اگر کلید هیچیک از پایه های A یا B را به زمین وصل نکند, موتور فعال نخواهد شد. اگر A به زمین وصل شود, موتور در یک جهت و اگر B به زمین وصل شود, در جهت دیگر خواهد چرخید.