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Insegna luminosa ad energia solare

Indice Argomento Corrente
1) Introduzione
2) Scelte di progetto
3) Considerazioni sul tipo di led più adatti
4) Layout Insegna e numero di led impiegati
5) Ipotesi di collegamento dei led
6) Un possibile schema
7) Descrizione dello schema
8) Regolatore di carica della batteria
9) Realizzazione del circuito su basetta millefori
10) Foto del circuito realizzato su basetta millefori
11) Circuito per lo spegnimento automatico con batteria scarica
12) Circuito per lo spegnimento automatico con batteria scarica: Foto del circuito
13) Circuito per lo spegnimento automatico con batteria scarica: Misure eseguite sul circuito

Differenze rispetto agli altri schemi presenti su internet

Questo progetto è stato sviluppato per soddisfare una reale esigenza, la sua valenza è più generale nel senso che si comprendono quali sono i punti cardine nella progettazione di un oggetto alimentato ad energie alternative che per loro caratteristica sono fonti di energia discontinue. Le stesse considerazioni e le stesse metodiche di base si possono impiegare anche nella progettazione di una casa o un villaggio alimentati ad energia da fonti rinnovabili. Nota importante: questo progetto ha subito molte modifiche e collaudi e le pagine che lo descrivono sono state realizzate con la logica del blog, quindi se volete realizzarlo leggetele tutte perchè le modifiche e migliorie vengono spiegate di volta in volta durante il percorso che porta al progetto finale.

Introduzione

Questo è un progetto che è nato dalla necessità di segnalare la mia abitazione a tutti quelli che mi cercano. La mia casa ha una strada primata di accesso, è nascosta da alberi e arbusti vari e non risulta visibile dalla strada principale. Si è reso necessario adottare questa insegna che, tuttavia essendo lontano da casa non era possibile alimentare con la rete elettrica. Viene descritto tutto il progetto, dall'inizio alla fine passando per tutte le fasi intermedie. Può essere da esempio per la progettazione di elettroniche alimentate a energia solare. Di seguito illustrerò tutte le scelte di progetto e i motivi che vi hanno portato.

Insegna luminosa ad energia solare: scelte di progetto

Innanzi tutto occorre fare uno schema a blocchi per avere le idee chiare sulle funzionalità e i limiti. La mia prima scelta era quella di far controllare il tutto ad un arduino, tuttavia prendendo un arduino e misurandone la corrente assorbita (a vuoto non collegato a nulla) mi sono accorto che assorbe ben 50mA, quindi in un giorno circa 1A/h. E' sicuramente troppo, con una logica discreta ben progettata si può consumare solo qualche milliampere. Quindi ho iniziato la stesura dello schema a blocchi pensandolo per la soluzione a logica discreta.

Schema a blocchi insegna luminosa ad energia solare

A sinistra lo schema a blocchi dell'insegna luminosa ad energia solare. Si tratta di uno schema a blocchi di massima, molto generico che si adatta a quasi tutti i sistemi di questo tipo. La prima cosa che occorre definire è il consumo dell'insegna luminosa vera e propria che influenza la progettazione di tutto il resto. L'unica cosa che ci occorre sapere per iniziare è il numero di led che occorrono per determinare il consumo e decidere come collegarli.

Scelte di progetto:

  • La batteria per motivi di approvvigionamento (probabilmente andrà sostituita ogni 3-5 anni) deve essere strettamente di tipo commerciale a 12V che sono le più diffuse
  • L'insegna sarà a led (colore da definire) per motivi di durata e consumo

I led possono essere collegati in due modi:

  • A stringhe di 3 o 4 (dipende dalla tensione di polarizzazione dei led) led in serie per più avvicinarsi alla tensione di batteria, quindi per ridurre le perdite sulle resistenze di limitazione e aumentare al massimo il rendimento del circuito.
  • Tutti in serie ottenendo una tensione di accensione molto alta e usare un convertitore boost per alimentarli. Quest'ultima soluzione, anche se più complessa dal punto di vista circuitale semplifica di molto il collegamento dei led. In realtà per evitare di avere tensioni troppo alte si possono dividere i led in 2 o più stringhe sempre mantenendo delle tensioni dell'ordine degli 80-90Volt.

 

Insegna luminosa ad energia solare: Considerazioni sul tipo di led più adatti

Questa considerazione parte dalla percezione dell'occhio umano della luce. L'occhio umano non ha una caratteristica lineare, ovvero è più sensibile a certi colori che non ad altri. Noi, se vogliamo massimizzare il rendimento dovremo scegliere il colore a cui l'occhio è più sensibile. Sfogliando velocemente un libro di fisica si ottengono questi risultati:
Lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche visibili copre l'intervallo fra 380 nm e 780 nm (dove 1nm = 10-9 metri). In corrispondenza del valore di circa 550 nm (colore giallo-verde) si ha la massima sensibilità dell'occhio umano che poi cala rapidamente andando verso l'ultravioletto che verso l'infrarosso. Quindi il miglior colore è il verde (riferito ai led commerciali). Un led di colore verde richiede una tensione (misurata sui led che abbiamo a magazzino) di accensione di 3,2 Volt. Dopo averli acquistati abbiamo verificato l'esatta tensione di alimentazione (con la corrente numinale di 20 mA). Secondo me questo dato è molto variabile, da una marca all'altra e da un lotto all'altro anche se in misura minore. In definitiva è un valore legato al processo industriale impiegato nella produzione. Quindi non date nulla per scontato ed eseguite delle misure.

Insegna luminosa ad energia solare: Layout Insegna e numero di led impiegati

A questo punto è essenziale progettare l'insegna per avere il numero esatto dei led che verranno impiegati.

Insegna luminosa ad energia solare

A sinistra l'insegna luminosa che abbiamo deciso di realizzare. E' composta da esattamente 69 led (i pallini gialli che ricalcano i bordi delle scritte più significative). Il consumo della scritta accesa alla massima intensità (20mA) è di: Vd*20*10-3*69=4,4 Watt. Questo è il consumo netto dei soli led, non sono state calcolate le perdite sulle resistenze limitatrici.

Confronto fra le varie ipotesi di collegamento dei led

Facciamo un po' di conti tenendo conto di utilizzare i led verdi:

Led collegati a 3 a 3 in stringhe poi messe in parallelo fra loro

Led collegati in serie di 23 e poi fra loro in parallelo

Vantaggio: verranno alimentati direttamente dalla tensione di batteria
Svantaggio: non ce ne sono

Vantaggio: è più facile collegarli, basta metterli in serie. Il cablaggio è banale.
Svantaggio:occorre progettare un convertitore boost per alimentare il tutto.

Consumo reale, impostiamo i dati: numero stringhe=69/3=23 tensione della batteria 13 Volt. Corrente che passa in ogni singola stringa 20 mA. Corrente totale 20x10-3*23=0,46A. Potenza totale=0,46*13=5,98 Watt.

Consumo reale:in questo caso è più difficile determinarlo in quanto dipende dal rendimento del convertitore boost. Quindi dobbiamo affidarci ad una previsione che facciamo calcolando la potenza che dissipa il driver di potenza dello stesso trascurando le cadute di tensione sull'avvolgimento della bobina. La corrente efficace che passa dovrebbe aggirarsi sul mezzo ampere, quindi tenendo conto di una caduta ai capi di questo componente di 1V dovrebbe dissipare circa 1/2 Watt che sommato ai 4,4 watt che dissipano i led abbiamo un consumo di 4,9 Watt. Questo sistema dovrebbe essere più efficiente in quanto non ha dissipazioni di tipo resistivo.

Questa soluzione è la più facile da realizzare, anche se laboriosa per quello che riguarda i cablaggi.

Questa soluzione è quella che ci permette di avere un minor consumo, quindi un rendimento maggiore e una durata della batteria maggiore. Scegliamo questa soluzione.

Insegna luminosa ad energia solare: Un possibile schema

Pare che il convertitore boost abbia un rendimento migliore della soluzione convenzionale a resistori di limitazione. Quindi partiamo con la progettazione del circuito. In basso il primo parto della mia immaginazione di progettista di apparati elettronici. Questa è la mia personale interpretazione, ne esistono infinite possibili varianti. Mancano i valori dei componenti perchè sono ancora da calcolare.

Schema Circuito convertitore boost per alimentare insegna luminosa

Insegna luminosa ad energia solare: Descrizione dello schema

Lo scopo principale è quello di allungare la durata della batteria al massimo (indipendentemente dal tipo di batteria utilizzata) ed avere un buon impatto visivo. La parte principale dello schema serve per generare la tensione di 70-80 Volt partendo dai 12.13 Volt della batteria al piombo-gel che impiegheremo. La prima parte composta da 40106-1, R1, R2, D1, C1 è un oscillatore ad onda quadra fortemente asimmetrica, in pratica un generatore di impulsi molto stretti e intervallati da un tempo che imposteremo sperimentalmente con il trimmer R2. L'energia che produce questo circuito è funzione del numero di impulsi che eccitano il transistor T1, quindi modificando il tempo fra un impulso e l'altro possiamo modificare l'enegia prodotta, che si traduce con una maggiore o minore lumicosità dei led e un maggiore o minore consumo. Le due sezioni 40106-2 e 40106-3 servono per squadrare gli impulsi, in realtà si potevano omettere ma l'integrato contiene 6 componenti, quindi perchè non utilizzarli. La resistenza R5 assieme ai transistor T3 e T2 serve per interrompere il funzionamento del convertitore boost in funzione di due eventi che descriverò di seguito. R4, T2, R3 costituiscono un sensore di luminosità, in pratica possiamo impostare la scritta per spegnersi durante la giornata, qualora la luminosità ambiente sia tanto elevata da rendere inutili i led. La parte 40106-4, C2, R7, R8, R9, T3 serve per generare una onda quadra simmetrica per far lampeggiare la scritta con una frequenza che imposteremo con il trimmer R7. Il resto del convertitore boost è composto da 40106-5, 40106-6 che fungono essendo in parallelo da buffer di corrente, il condensatore C5 è un condensatore di speed-up e le resistenze R10 ed R11 costituiscono un partitore resistivo che funge da traslatore di livello (adatta il livello logico di uscita della porta logica in modo che sia compatibile con la tensione di polarizzazione diretta della giunzione BE di T1. I diodi led fungono da diodo fast recovery (che manca essendo inutile in quanto i led sono altrettanto veloci in commutazione). Sotto una possibile variante dello stesso circuito. Semplicemente le porte logiche 40106-2, 40106-3 sono utilizzate come ulteriore driver di corrente per il transistor T1. Questo per meglio mandare in saturazione il transistor darlington T1, considerato che una porta logica di questo tipo eroga una corrente massima all'uscita di poco superiore ai 6 mA. Una possibilità ulteriore per migliorare il rendimento potrebbe essere quella di utilizzare un Mosfet N-Channel con una adeguata tensione Vds (almeno 100 Volt) e una RdsOn minore della RceOn del darlington. In questo modo si possono risparmiare anche i pochi mA della corrente di eccitazione del darlington.

Schema Circuito convertitore boost per alimentare insegna luminosa

Insegna luminosa ad energia solare: Regolatore di carica della batteria

Una volta stabilito il modo in cui vogliamo alimentare i led dell'insegna luminosa occorre chiudere il cerchio progettando il regolatore di carica per la batteria che deve evitare il sovraccarico di quest'ultima. Tipicamente i pannelli solari hanno una tensione di uscita a vuoto di molto superiore a quella che effettivamente ci serve, nel caso della batteria scarica la corrente che passa e la resistenza interna del pannello pongono un limite alla tensione prodotta e non vi è poblema, tuttavia quando la batteria è completamente carica il pannello continua a caricarla sovraccaricandola, elettrolizzando l'elettrolito e accorciando la vita della stessa. Occorre mettere in opera un regolatore di carica che interrompa la carica quando necessario.

Regolatore di carica di bassa potenza per batteria collegata a pannello solare

Questo è lo schema del regolatore, non merita neanche una descrizione, si tratta di uno schema classico che utilizza l'integrato LM317 (in questo caso nella versione TO220). Richiede la regolazione all'atto dell'installazione, della tensione d'uscita tramite il trimmer R1. Il diodo D1 serve come diodo antiritorno per evitare che la batteria possa scaricarsi sul regolatore. E' adatto per correnti di carica inferiodi ad 1A. Nel caso di utilizzo di più pannelli si possono collegare ciascuno ad un regolatore parallelizzando il tutto.

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