Per realizzare un buon impianto elettrico ad energiasolare non basta il semplice pannello e l’eventuale

regolatore di tensione, ma occorre necessariamentedisporre di unao più batterieche possanoa c c u m u l a r eenergia nelle orediurne per poirestituirla quan-do fa buio;d iversamentegli utilizzatoripossono funzio-nare soltanto inpresenza dellaluce del sole. Lagran parte deidispositivi ali-mentati con cellesolari deve poterfunzionare indipendentementedalla presenza o dall’assenza dellaluce del sole, quindi la batteria èsicuramente necessaria per dare corrente quando non ladà più il pannello. Ma non solo; spesso le batterie ser-vono anche per un motivo un po’ meno intuibile ma

ineccepibile: potendo immagazzinare una certa quan-tità di elettricità, più o meno grande a seconda del tipo,possono erogare correnti ben più elevate di quanta se ne

possa chiedere allecelle solari, pur

essendo carica-te sempre daqueste ultime.Volendo fare unesempio, un pan-nello solare ingrado di erogare 1A di corrente nonpuò, da solo, ali-mentare un disposi-tivo che assorbe 2ampère; però, se ilpannello viene utiliz-zato per caricare unabatteria che può for-nire in scarica 2, 3ampère o più, il pro-blema è risolto: il

pannello carica la batteria che, quando serve,alimenta l’utilizzatore. Chiaramente in questo caso èimpensabile che il carico funzioni a regime continuo,dato che la corrente fornita dal pannello solare è mino-

ENERGIE ALTERNATIVE

REGOLATOREDI CARICA PER

PANNELLI SOLARICollegato fra il pannello e le batterie consente di limitare l’afflusso di

corrente in queste ultime quando si sono caricate a sufficienza: interrompeinvece il collegamento con l’utilizzatore quando la batteria è scarica o

quando la tensione è troppo bassa. Il circuito è in grado dilavorare con correnti massime di 15 A.

di Angelo Vignati

schema elettrico

re di quella che esso richiede; per laprecisione, l’utilizzatore può essere ali-mentato per un periodo di tempo rap-portato alla quantità di corrente datanello stesso periodo dal pannello sola-re. Riprendendo l’esempio fatto in pre-cedenza, se il pannello può erogare 1 Aed il carico richiede 2 ampère, ammet-tendo che la batteria possa essere cari-cata per 10 ore al giorno, il carico potràfunzionare per poco meno di 5 ore,salvo eccezioni. Conti a parte, pergestire un impianto ad energia solare eper fare in modo che questo possa cari-care la batteria con una corrente pres-soché costante, interrompendo la cor-rente stessa quando la batteria è a pienacarica, bisogna disporre di un partico-lare regolatore che solitamente è allostato solido: un circuito elettronico deltipo di quello proposto in questo artico-lo. Il nostro, oltre a regolare la caricadella batteria sospendendola quando siarriva al valore limite, permette digestire il carico, collegandolo quandola tensione della batteria è sufficiente atenerlo in funzione, e scollegandoloquando invece la tensione di batteria ètroppo bassa. Insomma, il nostro rego-latore di carica è un completo gestoredel funzionamento di un impianto acelle solari, e può lavorare controllandocarichi la cui corrente complessiva nonsuperi i 15A. Ma vediamo bene di cosa

si tratta analizzando il circuito elettricovisibile in queste pagine: il regolatore èin sostanza un partitore di corrente rea-lizzato con l’ausilio di un circuitoPWM e di un mosfet che assorbe laparte di corrente in eccesso; il tutto ècompletato da un comparatore che per-mette di connettere e disconnettere l’u-tilizzatore dalla batteria in funzionedello stato di carica di quest’ultima. Ilpannello solare si collega ai punti mar-cati “MODULO”, secondo la polaritàindicata nello schema, e alimenta l’in-tero circuito; il transistor T3, polarizza-to in base con la tensione ricavata dal

diodo Zener DZ1, funziona da regola-tore e permette di ricavare 12 volt benstabilizzati, disponibili tra il suo emet-titore e massa, ovvero ai capi del con-densatore di filtro C6. La tensione rica-vata dal T3 è costante e indipendentedal valore di quella applicata al circui-to, il che permette di ottenere in praticail funzionamento ottimale con pannellisolari che forniscono tensioni compre-se fra 12 e 24 volt. Il regolatore per-mette quindi di alimentare con una ten-sione stabilizzata tutta la parte del cir-cuito che deve provvedere al rileva-mento dello stato di carica della batte-ria. Poiché il dispositivo è composto dadue parti principali studiamo ciascunadi queste separatamente, iniziando conquella che controlla la corrente di cari-ca. Questa sezione fa capo ai tre opera-zionali U1a, U1b e U1c: quest’ultimofunziona da buffer non-invertente e tra-sferisce al piedino 12 dell’U1a una ten-sione proporzionale a quella presente aicapi della batteria: quanto più è altatale tensione, tanto maggiore è il poten-ziale applicato al piedino 12 dell’U1, eviceversa. L’operazionale U1b funzio-na nella configurazione da multivibra-tore astabile (ovvero fa da generatore dionda quadra) leggermente modificataperché lavora a tensione singola, quin-di richiede metà del potenziale di ali-mentazione sul piedino non-invertente

Pin-out e schema interno dei mosfet BUZ11 (a sinistra) e

STH75N06 (a destra).

CARATTERISTICHE TECNICHE

Tensione di ingresso (pannellosolare) di 12 ÷ 28 V;

Massima corrente di ingresso (pannello solare) di 15 A;

Corrente massima in uscita (carico) di 25 A;

Assorbimento massimo delcircuito di controllo 20 mA.

La corrente di ingresso è quella mas-sima di cortocircuito del regolatoreshunt, mentre quella di uscita non è

altro che la corrente commutabile dalcircuito in generale, ma soprattutto

dal mosfet T2: è insomma la correntefornibile al carico.

l’uscita di tale comparatore assume illivello alto (impulso positivo) mentrequando la stessa supera il valore delpotenziale dell’uscita di U1c il piedino14 si trova a circa zero volt. Gli impul-si rettangolari prodotti dall’U1a vengo-no applicati al gate del mosfet T1, cheva in conduzione, cortocircuitando ilpannello solare, ogni volta che il piedi-no 14 assume il livello alto; gli stessiimpulsi fanno lampeggiare il LEDLD1, che apparirà tanto più illuminatoquanto maggiore sarà la loro larghezza.Poiché abbiamo visto che gli impulsisono larghi, se la batteria ha una ten-

(il 3). Del generatore a noi interessaperò un altro segnale, cioè quello diforma d’onda pressoché triangolareprodotto ai capi del condensatore C1, edovuto ai cicli di carica e scarica dellostesso determinati dalla commutazioneall’uscita dell’operazionale: C1 si cari-ca ogni volta che al piedino 1 è presen-te il livello alto, mentre si scarica quan-do tale piedino assume il livello basso.La tensione triangolare viene inviata alpiedino 13 dell’U1a, il quale funzionada comparatore e fa il confronto traquesta ed il potenziale portato dall’u-scita dell’U1c (direttamente proporzio-nale a quello della batteria). Il risultatodel confronto è una serie di impulsi ret-tangolari, di ampiezza direttamenteproporzionale al valore della tensionedi batteria. In pratica tanto più è alta latensione presentata ai capi della batte-ria in carica, tanto maggiore è la lar-ghezza degli impulsi prodotti dal com-paratore U1a, e viceversa. Per capire dadove nascono gli impulsi ci basta pen-sare che l’uscita del comparatore (pie-dino 14) è a livello alto quando il pie-dino 12 è a potenziale maggiore del 13,mentre è a circa zero volt nella situa-zione opposta, cioè quando il piedino13 è a potenziale maggiore del 12.Quindi, fino a che la tensione triango-lare localizzata sul C1 è minore diquella applicata al piedino 12 dell’U1a

sione alta (ovvero è abbastanza carica)e sono più stretti se la stessa tensione èbassa (cioè la batteria è scarica) lamaggiore o minore illuminazione diLD1 indica lo stato di carica degli ele-menti collegati alla BATTERIA (punti+ e -): in sostanza, più è luminoso ilLED, più è carica la batteria, e vicever-sa. Seguendo lo stesso principio notia-mo che più si carica la batteria, mag-giore è la durata di ogni stato di condu-zione del mosfet, e viceversa: perciòman mano che la batteria si carica, ilT1 conduce per un periodo di temposempre maggiore, fino ad andare com-pletamente in conduzione restandovi;quindi più la batteria si carica, maggio-re è la corrente che viene sottratta dalmosfet al resto del circuito. E’ questo ilprincipio di funzionamento del regola-tore di tipo “shunt”, che per limitare lacorrente nel carico (in questo caso labatteria...) la fa assorbire ad un caricofittizio (il mosfet T1). Va notato peròche il mosfet non deve andare costante-mente in conduzione, non solo permotivi legati alla dissipazione dellapotenza che assorbe, bensì perché devesempre scorrere un minimo di correntedi mantenimento dal pannello alla bat-teria, anche quando la carica di que-st’ultima è da ritenersi conclusa. A talescopo R10 va registrato in modo daottenere dall’uscita del comparatoreU1a degli impulsi, sia pure molto lar-ghi, anche a batteria completamentecarica (per batterie da 12V la regola-zione va fatta a 13,5 o 14V, mentre perquelle da 24V ad un valore compresotra 26 e 27V) e non un livello altocostante. Bene, quanto detto concludela descrizione del funzionamento dellaparte di circuito che gestisce la carica(ad impulsi) della batteria, ovvero ilregolatore di carica vero e proprio.Vediamo adesso la seconda parte, cioèl’automatismo che consente di staccareil carico quando la batteria è scarica, edi ricollegarlo quando si è caricata asufficienza; il tutto fa capo al sempliceoperazionale U1d, collegato comecomparatore di tensione non-inverten-te. Questo confronta la tensione dellabatteria con quella di riferimento appli-cata al proprio ingresso invertente (pie-dino 6) che è poi la stessa che polariz-za il piedino 9 dell’U1c (in pratica,circa metà della tensione d’alimenta-zione fornita dal T3); tale tensione è

realizzazione pratica

stabilizzata dal diodo Zener DZ2.Regolando opportunamente il trimmerR14 il comparatore assume il livellobasso in uscita quando la tensione dellabatteria è troppo bassa (ad esempiominore di 10 volt) e il livello alto nellasituazione opposta, ovvero quando labatteria è carica e presenta ai propricapi almeno 10÷11 volt; nel primo casoil mosfet T2 è interdetto, mentre con-duce nel secondo caso. Pertanto vedia-

mo che quando la tensione della batte-ria è sufficientemente alta il potenzialedel piedino 5 dell’U1d è maggiore diquello applicato al 6, e il 7 si trova alivello alto e polarizza il gate del T2mandandolo in conduzione: il drain diquest’ultimo lascia quindi passare lacorrente dal carico a massa.Data la sua ridotta resistenza (Rdson)in stato di conduzione, dell’ordine diun decimo di ohm, il mosfet si compor-

ta da interruttore statico, e mette sottotensione il carico ogni volta che l’usci-ta del comparatore U1d si trova a livel-lo alto, cioè connette il carico al circui-to della batteria quando quest’ultima ècarica abbastanza da poterlo alimentarea dovere. La tensione alla quale si puòritenere sufficientemente carica la bat-teria viene impostata con il trimmerR14: portando verso massa il cursore diquest’ultimo occorre una tensione più

COMPONENTI

R1 = 10 OhmR2 = 4,7 KohmR3 = 22 KohmR4 = 100 KohmR5 = 100 KohmR6 = 100 KohmR7 = 100 KohmR8 = 27 KohmR9 = 27 KohmR10 = 470 Kohm trimmer vert.R11 = 2,2 MohmR12 = 10 KohmR13 = 27 KohmR14 = 470 Kohm trimmer vert.R15 = 39 KohmR16 = 100 KohmR17 = 10 OhmR18 = 4,7 KohmC1 = 1.000 pF ceramicoC2 = 2,2 µF 50 VL elettr.C3 = 100 nF multistratoC4 = 2,2 µF 50 VL elettr.C5 = 1.000 µF 25 VL elettr.C6 = 22 µF 50 VL elettr.D1 = BYW80D2 = BYW80DZ1 = 9,1 V 0,5 W Diodo ZenerDZ2 = 5,6 V 0,5 W Diodo ZenerLD1 = Led rosso 5 mmLD2 = Led rosso 5 mmT1 = BUZ11T2 = STH75N06T3 = BC547BU1 = LM324Varie:- c.s. cod. H028;- zoccolo 7+7 pin;- set isolamento (4);- dissipatore 2°C/W.

alta (per far collegare il carico) di quel-la necessaria se si porta il cursore stes-so più verso R13 e C4. Notate infinel’ultimo LED, LD2, che si accendequando il circuito di protezione è inter-venuto, ovvero quando è stato staccatoil carico. Il diodo D2 serve invece aproteggere il nostro dispositivo daeventuali sovratensioni o picchi di ten-sione inversa che possono verificarsicommutando carichi induttivi quali imotori elettrici o apparecchi con fortiinduttanze di filtro. Bene, lasciamoadesso lo schema elettrico perché rite-niamo di aver spiegato a sufficienza ilfunzionamento del circuito; vediamoinvece la parte pratica, cioè come lo sirealizza. In queste pagine trovate illu-strata una traccia lato rame a grandezzanaturale: seguitela per realizzare labasetta sulla quale, poi, prenderannoposto tutti i componenti. Inciso e fora-to lo stampato montate su di esso leresistenze e i diodi, lasciando momen-taneamente da parte D1 e D2; nell’in-serire i diodi Zener rammentate che ilterminale vicino alla fascetta colorata èil catodo. Infilate e saldate lo zoccolo a14 piedini per il quadruplo operaziona-le, quindi i due trimmer verticali, e iltransistor T3, ricordando di orientarequest’ultimo (il suo lato piatto devestare rivolto allo zoccolo) come indica-to nella disposizione componenti visi-bile in queste pagine. E’ poi la volta deicondensatori, dando la precedenza aquelli non polarizzati e rispettando lapolarità indicata per gli elettrolitici;infine si possono montare i due mosfete i diodi di potenza D1 e D2, che vannodisposti in piedi, con la parte metallicarivolta all’esterno dello stampato, inmodo tale che abbiano tutti il foro difissaggio alla stessa altezza. Fatto ciòbisogna procurarsi un dissipatore dicalore avente 2 °C/W (al massimo) diresistenza termica, forarlo in modo daospitare le viti dei mosfet e dei diodi dipotenza, quindi spalmare di pasta alsilicone le parti metalliche di tali com-ponenti, fissandoli uno ad uno al dissi-patore mediante viti 3MA provviste dirondelle isolanti in teflon e interponen-do tra parti metalliche e dissipatore unfoglietto di mica per ogni componente.Fatto ciò il circuito è pronto; innestatel’ operazionale nel proprio zoccolo,facendo attenzione al fine di farloentrare con il riferimento dalla parte

indicata nella disposizione componentidi queste pagine. Verificate che durantel’operazione non si sia piegato qualchepiedino, quindi date un’occhiata gene-rale al circuito in modo da controllarese è tutto in ordine. Allora il dispositi-vo è pronto all’uso; per le connessioniconviene utilizzare dei robusti capicor-da che dovete saldare in corrisponden-za dei punti marcati MODULO + e -,BATTERIA + e -, e CARICO + e -. Aipunti MODULO + e - dovete collega-re, rispettivamente, il morsetto positivoed il negativo del pannello solare, uti-lizzando cavo di sezione adeguata (1mmq per 2,5 ampère); l’accumulatoreva collegato ai contatti + e - BATTE-RIA, rispettando la polarità indicata eutilizzando filo di sezione pari ad 1mmq ogni 2,5 A di corrente. Le stesseconsiderazioni valgono per i fili elettri-ci che dovete usare per collegare l’uti-lizzatore ai punti + e - carico.Rammentiamo che la batteria ed il pan-nello solare devono “andare d’accor-do” per quanto riguarda la tensione: indefinitiva se il pannello fornisce 12÷20volt bisogna utilizzare una batteria da12 V, mentre se è da 24÷36 V l’accu-mulatore deve essere scelto a 24 volt(solitamente 2 elementi in serie da 12 Vl’uno).Ultimati i collegamenti si può procede-re alla taratura dei trimmer, per la qualesarebbe necessario partire con la batte-ria carica; in alternativa si può effettua-re una simulazione al banco, procuran-dosi un oscilloscopio, un alimentatorestabilizzato da 8÷20 volt di uscita(bastano 100 mA di corrente) e untester disposto a funzionare come volt-metro con fondo scala di 20 volt c.c.L’alimentatore va collegato ai punti dibatteria, badando di connettere il suopositivo al + e il negativo al - dellostampato; il pannello solare non va col-legato, mentre il tester deve esseredisposto sull’alimentazione, ovvero trail catodo del diodo D1 e massa. Il pun-tale dell’oscilloscopio va disposto tra ilpiedino 14 dell’U1 (R2) e massa, inmodo da prelevare gli impulsi in uscitadal comparatore. Fatti i collegamenti,dopo aver poggiato la basetta su unpiano in materiale isolante si procedealla taratura nel modo seguente: siaccende l’alimentatore e si regola perottenere tra la linea positiva del circui-to e massa (vedere la lettura del

tester...) una tensione di circa 13 volt; aquesto punto si agisce sul cursore deltrimmer R10 ruotandolo in un verso onell’altro fino a vedere, sull’oscillosco-pio, impulsi rettangolari molto larghi,spaziati da brevi livelli bassi (pause).Alzando la tensione dell’alimentatore a14,5 volt verificate che all’uscitadell’U1a vi sia un livello alto di tensio-ne e non più impulsi; diversamenteagite sul solito R10 fino a veder appa-rire sullo schermo dell’oscilloscopiouna linea continua corrispondente allivello alto (tensione circa uguale aquella di emettitore del T3). Fatto que-sto avete tarato il regolatore di tensionePWM; ora spegnete e staccate pure l’o-scilloscopio, quindi pensate a registrareil circuito a soglia per l’inserimento delcarico.Allo scopo lasciate il tester collegatosulla linea di alimentazione, staccatemomentaneamente l’alimentatore diprova e collegate una resistenza da 220ohm 1 watt ai punti + e - CARICO(ovvero ai capi del diodo D2).Ricollegate l’alimentatore e portatenela tensione di uscita a circa 10 volt,quindi ruotate il cursore del trimmerR14 fino a veder accendere il LEDLD2, indicante che il mosfet si è inter-detto, scollegando il carico (infatti intal caso la resistenza da 220 ohm lasciascorrere corrente in R18 e LD2). Alzategradualmente la tensione di uscita del-l’alimentatore e verificate che si spen-ga nuovamente il predetto LED: ciòdeve avvenire ad una tensione nonmaggiore di 11,5 volt, diversamentetornate giù con l’alimentatore e regola-te R14 in modo che il circuito stacchi(ovvero che si accenda LD2) ad unatensione minore di 10 volt.

PER IL MATERIALE

Il regolatore di carica èdisponibile in scatola di mon-taggio (cod. FT184). Il kitcomprende tutti i componen-ti, le minuterie, il circuitostampato e il dissipatore. Ilmateriale va richiesto a:Futura Elettronica, Via Adige, 11 -21013- Gallarate (VA).