Centro Universitrio de Braslia UniCEUB

Faculdade de Cincias Exatas e Tecnologia FAET

Engenharia de Computao

Vincius Taveira Ribeiro

PROJETO DE UM CARREGADOR DE

CELULAR UTILIZANDO CELULAS

FOTOVOLTAICAS

Braslia

2006

Vincius Taveira Ribeiro

PROJETO DE UM CARREGADOR DE

CELULAR UTILIZANDO CELULAS

FOTOVOLTAICAS

Projeto de Concluso do Curso de Graduao

Engenharia da Computao do Centro

Universitrio de Braslia UniCEUB

Orientadora: Maria Marony S. Farias Nascimento

Braslia

2006

1

ndice

ndice .................................................................................................................... 2

Lista de Figuras..................................................................................................... 4

Lista de Tabelas .................................................................................................... 5

Lista de equaes.................................................................................................. 6

Resumo ................................................................................................................. 7

Abstract................................................................................................................. 8

Captulo 1 Introduo ........................................................................................ 9

Captulo 2 - Radiao Solar, Clulas Fotovoltaicas e Painis Fotovoltaicos ..... 12

2.1 Radiao Solar em Superfcie.................................................................... 13

2.2 Clulas Solares .......................................................................................... 13

2.3 Princpio de funcionamento....................................................................... 13

2.4 Comportamento sob Iluminao................................................................ 14

2.5 Tipos de Clulas ........................................................................................ 16

2.6 Mdulo e painis fotovoltaicos.................................................................. 17

2.7 Caractersticas dos mdulos fotovoltaicos ................................................ 19

2.8 Instalao dos mdulos fotovoltaicos........................................................ 20

2.9 Manuteno dos painis fotovoltaicos....................................................... 20

Captulo 3 Controladores de Carga.................................................................. 21

3.1 Controlador de carga com estratgia de controle On/Off ...................... 22

3.2 Controlador de carga com estratgia de controle tenso constante ........ 22

3.2.1 Controle linear ........................................................................................ 22

3.2.2 Controle por modulao por largura de pulso (PWM)........................... 24

Captulo 4 Baterias .......................................................................................... 25

Captulo 5 - Reguladores de Tenso................................................................... 27

5.1 Regulador Zener ........................................................................................ 27

5.2 Regulador Zener com Carga...................................................................... 28

5.3 Ponto de sada do regulador zener............................................................. 29

5.4 Seguidor de emissor .................................................................................. 30

5.4.1 Melhorando a regulagem de tenso com seguidor de emissor ............... 31

Captulo 6. Implementao................................................................................. 32

2

6.1 Coleta de dados.......................................................................................... 32

6.2 Dimensionamento do transistor ................................................................. 33

6.3 Dimensionamento do diodo zener ............................................................. 34

6.4 Dimensionamento da resistncia em srie................................................. 34

6.5 Dimensionamento do painel ...................................................................... 35

6.6 Dimensionamento do limitador de corrente .............................................. 36

6.7 Dimensionamento da bateria ..................................................................... 36

6.8 Montagem do circuito............................................................................... 36

6.9. Testes ........................................................................................................ 38

7. Concluso ....................................................................................................... 40

Referncias Bibliogrficas.................................................................................. 41

Apndice ............................................................................................................. 42

3

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Diagrama de blocos do projeto 10

Figura 2.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para o painel

fotovoltaico 12

Figura 2.2 - Corte transversal de uma clula fotovoltaica 14

Figura 2.3 - Efeito Fotovoltaico na juno PN 15

Figura 2.4 - Silcio Monocristalino 16

Figura 2.5 - Silcio Policristalino 17

Figura 2.6 - Possvel ligao de diodo bypass ente clulas 18

Figura 2.7 - Utilizao de diodo de bloqueio 19

Figura 2.8 - Posio de instalao 20

Figura 3.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para o controlador de

carga 21

Figura 3.2 - Configurao em srie utilizando reostato 23

Figura 3.3 - Configurao em paralelo utilizando diodo zener 23

Figura 4.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para a bateria 25

Figura 5.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para o regulador de

tenso 27

Figura 5.2 - Circuito com Diodo Zener 28

Figura 5.3 - Seguidor zener 31

Figura 6.1 - Circuito regulador de tenso com proteo contra curto (Fonte de

energia do painel) 36

Figura 6.2 - Foto do carregador utilizando a energia do painel fotovoltaico 37

Figura 6.3 - Circuito regulador de tenso com proteo contra curto (Fonte de

energia da bateria) 37

Figura 6.4 - Foto do carregador utilizando a energia do painel fotovoltaico 38

4

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Coleta de dados da tenso do painel 32

Tabela 2 Testes 38

5

Lista de equaes

Equao 5.1 Corrente no resistor em srie 28

Equao 5.2 Tenso de Thevenin 28

Equao 5.3 Tenso na carga 29

Equao 5.4 Corrente na carga 29

Equao 5.5 Corrente no diodo zener 29

Equao 5.6 Ponto de sada do regulador zener 29

Equao 5.7 Resistncia mxima em srie com o diodo zener 30

Equao 5.8 Tenso na carga em um seguidor zener 31

Equao 5.9 Corrente na base do transistor 31

Equao 5.10 Impedncia no seguidor zener 31

Equao 6.1 Resistncia mnima em srie com o diodo zener 34

Equao 6.2 Potncia nominal do resistor 35

6

Resumo

Neste projeto, mostrado a possibilidade da utilizao da energia solar como

forma de proporcionar recargas de baterias de telefones celulares em qualquer lugar

onde haja emisso de raios solares.

Desta forma, em localidades onde haja sinal da operadora, mas a disponibilidade

de energia convencional inexistente ou limitada, a luz solar pode ser utilizada como

fonte de energia alternativa, fazendo com que o uso do celular no fique comprometido.

O estudo foi feito enfocando os vrios tipos de clulas solares, seu

funcionamento, os diversos tipos de reguladores de tenso de sada e os tipos de

controladores de carga destas clulas.

Palavras-chave: clulas fotovoltaicas, mdulos fotovoltaicos, reguladores de

tenso, energia alternativa, controladores de carga.

7

Abstract

This project shows how solar energy can be turned into eletric energy using solar

cells, in order to recharge bateries of cell phones in every place where the sun shines.

So places covered by mobile phone networks but where the regular electric

network has not reached can adopt solar energy as an alternative electric energy source,

making possible the use of the cell phone.

The study has been done concerning all types of solar cells; it also details their

operating systems, the ways to accurate the output tension and the types of charge

controllers.

Keywords: solar cells, solar panels, output tension controllers, alternative energy

source, charge controllers.

8

Captulo 1 Introduo

O Brasil um pas de grandes dimenses territoriais, e existem, mesmo nos

estados mais desenvolvidos, grotes onde a chegada da infra-estrutura de

telecomunicaes bastante complicada e demorada, para no falar nos preos. Grandes

distncias, vegetao, cursos dgua e problemas de logstica fazem com que

prestadoras do servio de telefonia fixa desprezem estas reas, por no serem

economicamente viveis. Muitas delas, inclusive, no dispem sequer de infra-estrutura

de energia eltrica pelos mesmos motivos, tendo de se utilizar de geradores domsticos

movidos a combustveis fsseis ou simplesmente ficarem s escuras, uma vez que seu

consumo estimado de energia eltrica muito baixo. Estima-se que no Brasil exista uma

populao rural da ordem de 20 milhes de pessoas sem acesso rede eltrica

convencional1.

Por sua portabilidade e raio de alcance, o celular se torna, nestas reas, uma

alternativa ao telefone fixo com algumas vantagens. Uma delas diz respeito ao custo de

implantao, muito menor.

Alia-se a isso a possibilidade de utilizar-se, nessas reas, uma energia

alternativa, limpa, eficaz, renovvel e barata, de modo a aumentar a qualidade de vida

dessas pessoas e lhes possibilitando a utilizao de telefones mveis.

Os aparelhos de telefone celular esto cada vez mais sofisticados: alm de sua

funo primria, a de fazerem ligaes, alguns modelos tiram fotos, gravam vdeos,

acessam a internet, recebem sinal de rdio e, nos modelos mais modernos, h at mesmo

sinais de TV digital. Todas essas evolues nos celulares causaram um aumento no

tempo gasto pelos usurios com esses aparelhos. Entretanto, a evoluo das baterias dos

aparelhos no acompanhou o progresso tecnolgico das funes dos celulares e, assim,

o tempo de durao das baterias alvo de reclamaes de usurios desde o comeo da

telefonia celular tornou-se um problema ainda maior.

As comunicaes continuam sendo as principais beneficirias da utilizao de

aparelhos celulares, com eles, diminui-se a distncia entre as pessoas, o que desafia as

1 Marco A. Galdino, Jorge H. G. Lima, PRODEEM - Programa Nacional de Eletrificao rural

Baseado em Energia Solar. Informao disponvel na internet: http://www.cresesb.cepel.br/Prodeem-

CBE.pdf . Data de acesso: 20/05/2006.

9

operadoras a espalharem seus sinais a lugares onde no se tinha qualquer outra forma de

comunicao.

Neste projeto, demonstrada a utilizao de um painel fotovoltaico que

transforma a energia solar em energia eltrica, auxiliado por uma bateria interna para

evitar problemas de carga quando no houver luz solar suficiente, um controlador de

carga para supervisionar a carga e descarga da bateria interna e, finalmente, um circuito

regulador de tenso para controlar a tenso que provem ou dos painis solares ou da

bateria interna para a tenso de 5,7 V exigida pelo celular. Na Figura 1.1, apresentado

o diagrama de blocos de implementao do projeto.

Figura 1.1 Diagrama de blocos do projeto

Painel Fotovoltaico

Controlador de Carga

Bateria Interna Circuito Regulador de Tenso

Celular

10

Este trabalho divide-se em sete captulos:

- No Captulo 1, feita uma breve introduo do projeto.

- No Captulo 2, so descritos os princpios da radiao solar, mostrados os

vrios modelos de clulas fotovoltaicas e seu funcionamento e so trazidos os modelos

de painis solares.

- No Captulo 3, o estudo expe os controladores de carga.

- No Captulo 4, o trabalho trata das baterias.

- No Captulo 5, so mostrados os reguladores de tenso.

- No Captulo 6, a implementao do projeto de carregador de celular via energia

solar.

- No Captulo 7, so apresentadas as concluses inerentes ao trabalho realizado

11

Captulo 2 - Radiao Solar, Clulas Fotovoltaicas e Painis

Fotovoltaicos

Figura 2.1 Diagrama de blocos do projeto com destaque para o painel fotovoltaico

Painel Fotovoltaico

Neste captulo so abordados conceitos bsicos sobre radiao solar e painis

fotovoltaicos. Entende-se por radiao solar a uma radiao eletromagntica emitida

pelo Sol, e que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s, podendo-se observar

aspectos ondulatrios e corpusculares.

O Sol fornece para a atmosfera terrestre aproximadamente 1,5 x 1018 kWh de

energia por ano. Este valor c imadamente 10.000 vezes o consumo

mundial de energia durante o

uma fonte energtica que pod

captao e posterior converso

2 Grupo de Trabalho de Ene

orresponde a aprox mesmo perodo2. Tal fato mostra que a radiao solar

eria ser amplamente utilizada se processada por meio de

em uma outra forma de energia mais til.

rgia Solar Fotovoltaica (CRESESB/CEPEL), Tutorial Solar.

12

2.1 Radiao Solar em Superfcie

De toda a radiao que incide na camada atmosfrica, apenas uma parte chega

superfcie terrestre, graas s perdas ocasionadas pela reflexo e pela absoro dos raios

solares pela camada atmosfrica. A radiao que chega superfcie terrestre formada

por uma componente direta e outra difusa; no caso de a superfcie receptora estar

inclinada em relao a horizontal, haver ainda uma terceira componente, refletida pelo

ambiente do entorno (solo, vegetao, obstculos, terrenos rochosos, etc). O coeficiente

de reflexo dessas superfcies denominado de albedo3.

2.2 Clulas Solares

Clulas solares so dispositivos capazes de transformar a energia luminosa em

energia eltrica. Uma clula solar pode funcionar como geradora de energia eltrica a

partir da luz ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa.

Antes da atual procura por novas tecnologias de gerao de energia, as clulas

solares, por possurem uma tecnologia capaz de gerar energia renovvel e limpa, j

haviam mostrado seu potencial neste campo, podendo o seu desenvolvimento ser

dividido em trs perodos, segundo M. T. Tolmasquim4:

Primeiro perodo: at o incio dos anos 1950, as clulas eram utilizadas somente como sensores de radiao luminosa;

Segundo perodo: os sistemas fotovoltaicos passam a ser a fonte principal de energia das naves espaciais;

Terceiro perodo: a partir dos anos 1970, as clulas solares para aplicao terrestres superam a produo para uso espacial.

2.3 Princpio de funcionamento

O material mais utilizado para confeco de clulas solares o silcio. Contudo,

o silcio puro no possui eltrons livres, necessitando de uma dopagem. Para fazer um

silcio do tipo N, utilizado na confeco de uma clula solar, introduz-se em sua rede

cristalina um material pentavalente (do Grupo V da tabela peridica), tal como o

fsforo, que possuem um eltron a mais do que necessrio para formar as ligaes

3 Idem ob. cit. (2). 4 Tolmasquim, M. T. Fontes Renovveis de Energia no Brasil.

13

covalentes com o silcio. Para fazer um silcio do tipo P, feito um processo similar,

mas utilizando boro (tomo do grupo III da tabela peridica) ao invs do fsforo, dando

origem a lacunas, transferncia de eltrons dos tomos de silcio da banda de valncia

para os tomos de boro.

Figura 2.2 Corte transversal de uma clula fotovoltaica (fonte: CRESESB/CEPEL,

Tutorial solar).

Estas dopagens, tanto com o fsforo quanto com o boro, resultam na existncia

de cargas mveis. No primeiro caso, trata-se de portadores de carga negativa,

localizados na banda de conduo (materiais tipo N), e, no segundo, de portadores de

carga positiva, localizados na banda de valncia (materiais tipo P)5.

Cada clula solar composta de uma camada fina de material do tipo N e outra

com maior espessura de material tipo P; com esta unio, os eltrons do silcio tipo N

difundem para o lado P, formando assim um dipolo, com cargas positivas na regio N e

negativas na regio P, associado a um campo eltrico interno que restabelece as

condies de equilbrio da juno P-N.

2.4 Comportamento sob Iluminao

As clulas solares sob iluminao absorvem ftons, que so partculas que

produzem uma passagem de eltrons da banda de valncia para a banda de conduo.

5 Idem ob. cit. (4).

14

Os portadores gerados pelos ftons absorvidos esto sujeitos ao do campo eltrico

interno, que se estabelece na interface da juno P-N, dando origem a uma corrente que

atravessa a carga externa.

Figura 2.3 Efeito Fotovoltaico na juno PN (fonte: CRESESB/CEPEL, Tutorial

solar).

Enquanto a clula estiver sob iluminao haver uma gerao de energia, sendo

que a corrente gerada variar proporcionalmente intensidade de luz incidente.

Grande parte da luz incidente na clula perdida antes que possa ser convertida

em energia eltrica. Atualmente as clulas podem chegar a ter uma eficincia de 30%,

mas a grande maioria possui uma eficincia entre 10% a 15%. As perdas de energia

podem ocorrer porque aproximadamente 55% do espectro solar composto por luzes,

que possuem uma freqncia pequena, e por isso no conseguem excitar os eltrons do

silcio. Outras so energticas demais e a energia extra do par eltron-buraco

transforma-se em calor, tambm contribuem para a diminuio da eficincia o reflexo

da superfcie da clula e a recombinao eltron-buraco. Para aumentar a produo de

energia, podemos utilizar espelhos ou lentes para concentrar os raios solares6.

6 Hinrichs, Roger A. Energia e Meio Ambiente.

15

2.5 Tipos de Clulas

Atualmente, a grande maioria de clulas solares comercializadas so de silcio,

mas j existem clulas de outros materiais sendo comercializados. Estes materiais se

baseiam nos semicondutores das famlias III-V, e II-VI da tabela peridica, a numerao

das famlias representa a quantidade de eltrons livres que os materiais possuem para

fazer ligaes covalentes. No primeiro caso, h a combinao de elementos do grupo III

(glio, ndio) e do grupo V (arsnio, fsforo), sendo o principal material estudado o

arseneto de glio (GaAs)7 . No segundo caso, utilizam-se elementos do grupo II

(cdmio, cobre) e do grupo VI (telrio, selnio), sendo estudados principalmente o

disseleneto de cobre-ndio (CuInSe2) e o telureto de cdmio (CdTe)8.

Existem trs tipos de clulas de silcio, que so classificadas conforme o mtodo

de fabricao:

Silcio monocristalino: clulas so obtidas a partir de barras cilndricas de silcio monocristalino produzidas em fornos especiais. Estas so

obtidas por cortes das barras em forma de pastilhas finas (300 m de

espessura). Sua eficincia da ordem de 15%9;

Figura 2.4 Silcio Monocristalino

(fonte: CRESESB/CEPEL, Tutorial solar).

7 Idem ob. cit (4) 8 Idem ob. cit. (4). 9 Ibidem ob. cit. (4).

16

Silcio policristalino: clulas obtidas a partir de blocos de silcio obtidos por fuso de pores de silcio puro em moldes especiais. Uma vez nos

moldes, o silcio resfria lentamente e solidifica-se. Neste processo, os

tomos no se organizam num nico cristal, formando assim uma

estrutura policristalina com superfcies de separao entre os cristais. Sua

eficincia da ordem de 13%10, um pouco menor do que a do silcio

monocristalino mas sua produo mais simples e barata11;

Figura 2.5 Silcio Policristalino

(fonte: CRESESB/CEPEL, Tutorial solar).

Silcio amorfo: clulas obtidas atravs da deposio de camadas muito finas de silcio sobre superfcies de vidro ou metal. Sua eficincia varia

de 5% a 7%12. Normalmente estas clulas sob a luz fluorescente

conseguem obter uma eficincia maior do que as clulas cristalinas. Um

problema com estas clulas que sua eficincia diminui ao longo do

tempo em funo da exposio luz11.

2.6 Mdulo e painis fotovoltaicos

Mdulos fotovoltaicos so clulas fotovoltaicas que so conectadas em srie,

fazendo assim a soma de suas tenses at que se obtenha a tenso desejada.

A conexo mais comum de clulas fotovoltaicas em mdulos o arranjo em

srie para chegar num valor final de 12V.

10 Idem ob. cit. (4). 11 Idem ob. cit. (6). 12 Idem ob. cit. (4).

17

Para evitar que toda corrente de um mdulo no seja limitada por uma clula de

pior desempenho (no caso de estar encoberta), necessrio utilizar um diodo bypass.

Este diodo serve como caminho alternativo para a corrente e limita a dissipao de calor

na clula defeituosa. Geralmente o uso deste diodo feito em grupamento de clulas,

ficando mais barato do que conectar um diodo em cada clula como mostra a Figura

2.6.

Figura 2.6 Possvel ligao de diodo bypass ente clulas (fonte: CRESESB/CEPEL,

Tutorial solar).

Um outro problema que pode ocorrer o aparecimento de uma corrente negativa

fluindo pelas clulas, ou seja, ao invs de gerar corrente, o mdulo passa a receber

muito mais do que produz. Esta corrente pode causar queda na eficincia das clulas e,

em caso mais drstico, a clula pode ser desconectada do arranjo causando assim a

perda total do fluxo de energia do mdulo. Para evitar esses problemas, utiliza-se um

diodo de bloqueio para impedir o fluxo de correntes reversas que podem ocorrer caso o

mdulo seja ligado diretamente a uma bateria.

18

Figura 2.7 Utilizao de diodo de bloqueio

(fonte: CRESESB/CEPEL, Tutorial solar).

Um painel fotovoltaico um conjunto de mdulos fotovoltaicos ligados em srie

e paralelo. A corrente deste painel ser o produto da quantidade de mdulos ligados em

paralelo (Np) pela corrente (I) gerada em cada mdulo (Np x I). A tenso ser igual ao

produto entre o nmero de mdulos conectados em srie (Ns) pela tenso (V) gerada

por mdulo13.

2.7. Caractersticas dos mdulos fotovoltaicos

As principais caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos so as

seguintes:

Tenso de circuito aberto (Voc) Corrente de curto circuito (Isc) Potencia mxima normalmente dada pela potencia de pico (Pm) Tenso de potencia mxima (Vpm) Corrente de potencia mxima (Ipm)

A condio padro para obter as curvas caracterstica dos mdulos so definidas

para uma radiao de 1000W/m(radiao recebida na superfcie da terra em dia claro

ao meio dia) e temperatura de 25 C (a eficincia da clula reduzida com o aumento da

temperatura).

13 Idem ob. cit. (4).

19

Neste projeto utilizamos o painel fotovoltaico modelo S-5 da empresa sunlab,

que segundo tabela em anexo, capaz de produzir 5W com tenso de pico de 16,5 V e

uma corrente de pico de 0,27 A.

2.8 Instalao dos mdulos fotovoltaicos

Os painis devem ser fortemente fixados em suportes preferencialmente

metlicos e aterrados. Esses painis devem estar em um local que receba luz solar

durante todo o perodo diurno; sua face deve estar voltada para o norte geogrfico

(hemisfrio sul) e sua inclinao entre 25 a 30.

Figura 2.8 Posio de instalao

Deve-se deixar um espao entre a superfcie de fixao e o painel para permitir a

circulao do ar, pois a temperatura influncia na eficincia do painel.

2.9 Manuteno dos painis fotovoltaicos

Os painis solares requerem uma manuteno mnima. Na limpeza dos mesmos

deve ser utilizada gua e uma esponja no abrasiva. Detergentes ou sabo neutro podem

ser utilizados para remover substancias mais contaminantes.

recomendada uma inspeo semestral para averiguar terminais e apertos.

20

Captulo 3 Controladores de Carga

Figura 3.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para o controlador de carga

Controlador de Carga

Neste captulo discutido o controlador de carga e seu uso no projeto.

Controladores de carga so circuitos eletrnicos que gerenciam a energia que entra e sai

das baterias, para proteg-las contra os efeitos da sobrecarga e da descarga profunda,

por meio do ajuste dos pontos de atuao dos circuitos de carga e consumo.

Existem basicamente dois tipos de configurao fsica dos controladores: srie e

paralelo. Existem, ainda, duas estratgias de cont nados ON/OFF

e tenso constante14.

As configuraes paralelo e srie difer

circuitos eltricos, ou seja, quando a bateria esti

14 OLIVEIRA, LUS GUILHERME M. Estratg

fotovoltaicos domiciliares. Informao

http://www.iee.usp.br/biblioteca/producao/2005/Teses/Dis

29/05/2006.

role de carga, denomienciam-se no que diz respeito a seus

ver prxima de sua capacidade total, o

ias de controle de carga e descarga em sistemas

disponvel na internet:

sertacao_Luis_Oliveira.pdf . Data de acesso:

21

controlador de carga com configurao em srie desconectar o painel fotovoltaico do

circuito de carga. J no caso do controlador de carga em paralelo, ser causado um curto

circuito no ramo de produo de energia. Ambos os controladores possuem a funo de

reduzir a corrente de carga entregue bateria.15

3.1 Controlador de carga com estratgia de controle On/Off

O controlador ON/OFF pode ser comparado a uma chave liga/desliga, isto ,

o carregamento da bateria atravs deste mtodo, consiste em permitir a entrega de toda a

corrente gerada pelo painel, at um determinado valor denominado tenso de regulao.

Ao atingir o valor de tenso de regulao, a corrente de carga interrompida. O painel

fotovoltaico permanecer desconectado at que a tenso de regulao de reconexo for

alcanada, podendo, assim fornecer energia novamente bateria16.

3.2 Controlador de carga com estratgia de controle tenso

constante

No carregamento tenso constante, a corrente gerada pelo painel fotovoltaico

regulada pelo controlador, de maneira a manter a tenso nos terminais da bateria em um

valor de fixo e constante a partir do ponto de tenso de regulao. Esta estratgia evita

que o controlador fornea mais energia para a bateria do que ela capaz de receber. Por

isto, o mtodo de controle tenso constante , a princpio, mais eficiente do que o

anterior (ON/OFF). Por isso ele requer um circuito eletrnico e um projeto de

dissipador de calor mais aprimorado. Existem dois tipos de controladores que utilizam a

estratgia de controle a tenso constante, os controladores de carga lineares e os

controladores de carga por largura de pulso (PWM)17.

3.2.1 Controle linear

O controlador de carga linear pode ser constitudo por circuito eltrico do tipo

srie ou paralelo. O primeiro mantm a tenso constante, por meio de um reostato em

srie, quando a bateria estiver prxima de sua capacidade energtica mxima ele ir

dissipar a energia que no ser utilizada para carregar a bateria. O segundo circuito

15 Idem ob. cit. (14) 16 Idem ob. cit. (14) 17 Idem ob. cit. (14)

22

utiliza um diodo zener, em paralelo para manter a tenso da bateria no ponto de tenso

de regulao quando esta estiver praticamente carregada. O diodo zener possui uma

tenso reversa igual a do ponto de tenso de regulao, quando a tenso da bateria

estiver igual a do semicondutor, que ser ativado por um curto circuito em seu ramo,

que retira o mximo da corrente necessria para que o carregamento a tenso constante

seja mantido18.

Figura 3.2 Configurao em srie utilizando reostato (fonte: OLIVEIRA, Estratgias

de controle de carga e descarga em sistemas fotovoltaicos domiciliares)

Figura 3.3 Configurao em paralelo utilizando diodo zener (fonte: OLIVEIRA,

Estratgias de controle de carga e descarga em sistemas fotovoltaicos domiciliares)

18 Idem ob. cit. (14)

23

3.2.2 Controle por modulao por largura de pulso (PWM)

Uma outra maneira de se utilizar a estratgia de controle tenso constante

feita pela tcnica de modulao por largura de pulso. Neste mtodo, faz-se o uso de

MOSFETs (dispositivos semicondutores utilizados para realizar o chaveamento), que

aplicam pulsos de corrente em alta freqncia (300 Hz)19, e podem variar o ciclo de

operao ou a largura dos mesmos, reduzindo quando necessrio, a corrente de carga, de

modo a manter a tenso constante entre os terminais da bateria, evitando os efeitos de

gaseificao e estratificao, alm do aquecimento interno.

Esta estratgia garante um processo de carga rpido e eficaz, principalmente nas

baterias de chumbo/cido, e aumenta o ciclo de vida das baterias entre trs a quatro

vezes. Por sua eficcia, esta foi a tcnica adotada neste projeto. O modelo de

controlador de carga adotado neste projeto foi o CCD 1212, da empresa Sunlab, por ter

caractersticas tcnicas (Corrente mxima: 15A, Potncia 180W e Tenso de Trabalho

12V) apropriadas realizao do projeto, alm de boa relao custo / benefcio.

19 Idem ob. cit. (14)

24

Captulo 4 Baterias

Figura 4.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para a bateria

Bateria Interna

To importante quanto a captao da energia solar, pelos painis fotovoltaicos,

seu correto armazenamento, feito atravs de baterias, udo deste captulo.

Dada a variabilidade da disponibilidade de energia

necessrio para minimizar tal problema.

Sistemas solares podem ser instalados co

procedimento no recomendado estas bateri

profundas. Todavia, caso se deseje utilizar baterias au

ser tomados, em especial o de trabalhar com bate

consumo dirio de corrente multiplicado por 5 (cinco

que as baterias trabalhem com menos de 50% de su

nmero de baterias deve ser aumentado20.

20 SUNLAB. Informaes extradas do site comercia

internet: http://www.sunlab.com.br . Data de acesso: 25/05/2006

o objeto de est solar, o uso de baterias faz-se

m baterias automotivas, mas o

as no podem sofrer descargas

tomotivas, alguns cuidados devem

rias seladas e aplicar o valor de

). Alm disso, no recomendvel

a carga e, quando h este risco, o

l da sunlab. Informao disponvel na

.

25

Baterias fabricadas para descarga profunda possuem melhor rendimento,

podendo trabalhar com at 90% de sua capacidade e sua vida til muito maior que as

convencionais. No caso do uso de baterias para descarga profunda o valor de consumo

dirio de corrente deve ser multiplicado por 3 (trs). No caso de utilizar mais de uma

bateria recomendvel que sejam da mesma marca e capacidade. Neste projeto, foi

utilizada a bateria modelo RT 12V 4,2 Ah da Romtec, com tenso de 12V e capacidade

de 4,2Ah21.

21 Idem ob. cit. (17)

26

Captulo 5 - Reguladores de Tenso

Figura 5.1 - Diagrama de blocos do projeto com destaque para o regulador de tenso

Circuito regulador de tenso

Depois de armazenar a energia solar captada ou armazenada nas baterias,

preci

ou do

tens

mant

e na r

tens

zener

tensso que se saiba como administr-la, quando se necessita que ela saia das baterias

painel solar e ganhe o novo uso. Para isso, precisa-se de um circuito regulador de

o, o qual exposto neste captulo. Circuitos reguladores de tenso so circuitos que

m a tenso na carga constante independente da alta variao na tenso de entrada

esistncia de carga.

O projeto utiliza diodos zener em conjunto com um transistor para regular a

o de sada. O transistor utilizado para melhorar o desempenho do regulador

.

5.1 Regulador Zener

O diodo zener muito utilizado como regulador de tenso, pois ele mantm uma

o de sada constante, embora sua corrente varie. Para uma operao normal, o

27

diodo zener deve ser polarizado reversamente como mostrado na Figura 5.2. Um

resistor Rs deve ser utilizado para limitar a corrente de zener num valor menor que a sua

corrente mxima nominal, caso contrrio o diodo zener queimaria.

Figura 5.2 - Circuito com Diodo Zener

A tenso no resistor igual a diferena de tenso entre a fonte e a tenso zener.

Logo a corrente no resistor dada pela formula abaixo:

Por ser um circuito em srie a corrente no zener a mesma corrente que passa

pelo resistor.

5.2 Regulador Zener com Carga

Quando adicionada uma carga ao regulador zener, o diodo por operar na regio

de ruptura mantm a tenso na carga constante, mesmo que haja uma variao na tenso

de entrada ou na resistncia da carga a tenso na carga permanecer constante e igual a

tenso zener.

Para garantir que o diodo zener esteja operando na regio de ruptura, utilizamos

a formula abaixo:

)1.5(Rs

VzVsIs =

)2.5(LS

LTH RR

RV +=

Essa tenso deve ser maior que a tenso zener, caso contrrio no ocorrer a

ruptura.

28

Como a carga esta ligada em paralelo com o diodo zener a tenso na carga a

mesma tenso do diodo zener ou seja:

Podemos ento usar a lei de Ohm calcular a corrente na carga da seguinte

maneira:

Como o resistor de carga e o diodo zener esto ligados em paralelo, podemos

atravs da lei de Kirchhoff, calcular ento a corrente zener atravs da expresso abaixo:

Esta equao nos mostra que a corrente no diodo zener no mais a mesma do

resistor em srie, no caso de um regulador sem carga. Agora a corrente zener igual a

corrente no resistor em srie menos a corrente na carga.

5.3 Ponto de sada do regulador zener

Para que um regulador zener mantenha a tenso de sada constante, o diodo

zener deve permanecer na regio de ruptura em qualquer condio de operao. Isso

equivale dizer que deve haver uma corrente zener para todos os valores da fonte de

tenso e para todas as correntes de carga. O pior caso ocorre quando a tenso da fonte

de alimentao mnima e a corrente na carga mxima, porque a corrente zener cai

para seu valor mnimo. Nesse caso,

Rearranjando temos

Conforme foi mostrado anteriormente,

No pior caso, isso escrito como

)3.5(LZ VV =

)4.5(L

LL R

VI =

)5.5(LSZ III =

)6.5()(

)()(mxR

VmnVmnIS

ZSS

=

)()()(

mxRVmnVmxR

S

ZSS

=

LSZ III =

)()()( mxImnImnI LSZ =

29

O ponto crtico ocorre quando a corrente da carga igual corrente mnima no

resistor em srie:

Nesse ponto, a corrente zener cai a zero e a regulagem deixa de existir.

Substituindo Is (min) por IL (mx) na equao 5.6, obtemos a seguinte equao

til:

Onde:

Rs (mx) = valor crtico da resistncia em srie

Vs (min) = Tenso mnima da fonte de alimentao

Vz = Tenso zener

IL (mx) = corrente mxima na carga

A resistncia Rs (mx) o valor mximo que a resistncia em srie deve possuir.

Caso contrario, o diodo zener no vai operar na regio de ruptura e a ao de regulagem

no acontecer.

5.4 Seguidor de emissor

O circuito seguidor de emissor, tambm conhecido como circuito coletor

comum, um tipo de circuito no qual um transistor bipolar controla um circuito de

carga que pode ser um resistor ou um prximo estgio em um amplificador eletrnico.

Para evitar o problema de sobrecarga, que dado quando a resistncia da carga

muito menor que a resistncia cc22 do coletor, utilizado o seguidor emissor. Conecta-

se um seguidor emissor entre o amplificador EC (emissor comum) e a pequena

resistncia de carga com praticamente nenhum ganho de tenso. Alm disso, o seguidor

emissor tem uma impedncia de entrada to alta que no chega a sobrecarregar o

amplificador EC (emissor comum).

)()( mnImxI SL =

)7.5()(

)()(mxI

VmnVmxRL

ZSS

=

22 Corrente continua

30

5.4.1 Melhorando a regulagem de tenso com seguidor de emissor

Um seguidor de emissor pode melhorar o desempenho de um regulador zener,

conforme mostrado na Figura 5.3. Nesta figura, mostrado um regulador zener sendo

utilizado em conjunto com um seguidor emissor.

Figura 5.3 - Seguidor zener

Como a tenso zener a entrada da base, a tenso cc de sada a tenso do

diodo zener menos a queda Vbe do transistor, portanto: )8.5(BEZL VVV =

Se a tenso de entrada variar a tenso zener permanece a mesma e isto ocorre

tambm com a tenso de sada. Ou seja este circuito funciona como regulador de tenso.

O seguidor zener possui duas vantagens sobre o regulador zener comum. Uma

que a corrente que passa pela resistncia Rs a soma da corrente zener e da corrente da

base que igual a:

Como a corrente da base muito menor do que a corrente da carga, pode-se usar

um diodo zener menor.

Outra vantagem que se consegue ao utilizar o seguidor zener, ao invs do

regulador zener comum, que no regulador zener comum o resistor de carga v uma

impedncia de sada de aproximadamente Rz, a impedncia Zener. Mas no seguidor

zener, a impedncia de sada :

)9.5(CC

LB

II =

)10.5()( Z

eRrsadar +=

A idia principal de utilizar o seguidor zener que o seguidor emissor aumenta a

capacidade de manipulao de corrente de um regulador zener. O seguidor zener,

adotado neste projeto, aumenta a corrente de carga por um fator cc.

31

Captulo 6 Implementao

Depois das definies de cada parte explicitadas nos captulos anteriores, passar-

se-, neste captulo, ao relato da atividade prtica deste trabalho.

6.1 Coleta de dados

O carregador porttil Nokia, modelo ACP 12UB, possui tenso nominal de sada

de 5,7V e corrente nominal de sada de 800mA. Este carregador utilizado para

carregar a bateria, tambm da marca Nokia, modelo BL 5C, cuja tenso nominal de

3,7V. Esta bateria amplamente utilizada nos novos modelos de telefones celulares

Nokia.

Para comprovar estes valores, foi utilizado um multmetro, que constatou que, na

realidade, a tenso de sada do carregador de 6,13V (quando sem a carga) e 4,85V

(quando com a carga). A corrente de sada igual corrente nominal, ou seja, 800mA.

Tabela 1 - Coleta de dados da tenso do painel

Dia Horrio Tenso circuito aberto

25/05/06 13:30 22,0V

25/05/06 14:30 21.7V

25/05/06 15:30 21,3V

25/05/06 16:30 21,0V

25/05/06 17:30 17,8V

27/05/06 10:00 24,2V

27/05/06 11:00 24,0V

27/05/06 12:00 24,2V

27/05/06 13:00 23,0V

27/05/06 14:00 23,3V

27/05/06 15:00 22,0V

27/05/06 16:00 21,0V

27/05/06 17:00 16,8V

28/05/06 09:00 22,0V

28/05/06 10:00 22,0V

32

28/05/06 11:00 23,0V

28/05/06 12:00 23,3V Dados obtidos na cidade de Braslia / DF, em perodo no abrangido pelo horrio de vero.

Coleta de dados da tenso do painel

0

5

10

15

20

25

30

15:30 16:30 17:30 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 09:00 10:00 11:00 12:00

25/5/2006 25/5/2006 25/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 27/5/2006 28/5/2006 28/5/2006 28/5/2006 28/5/2006

Tenso circuito aberto 22 21.7

6.2 Dimensionamento do transistor

O primeiro passo para projetar um regulador de tenso a transistor fazer a

escolha do transistor, deve-se tomar o cuidado de escolher um transistor que no se

sature limitando a corrente na carga. A tenso de saturao neste projeto dada por:

A corrente mxima no coletor dada por:

Como a potncia mxima de coletor do transistor (Pcmx) deve ser maior que a

potncia mxima de coletor de operao no circuito, tem-se duas situaes: a primeira,

quando estamos utilizando a energia do painel; a outra, quando utilizamos energia da

bateria.

No caso do painel tem-se:

No caso da bateria tem-se:

LSsatCE VmnVV < )(VVVCEsat 7,511

mxIVmxVPcmx LLS *)( >27,0*)7,53,24( >Pcmx

WPcmx 022,5>

mxIVmxVPcmx LLS *)( >8,0*)7,512( >Pcmx

WPcmx 04,5>

33

Ser, ento, utilizado o transistor BD137, que adequa-se a todas estas

necessidades.

6.3 Dimensionamento do diodo zener

Uma vez que a tenso de sada do sistema dada pela diferena da tenso zener

pela queda de tenso Vbe do transistor faz-se necessrio utilizar um diodo zener cuja

tenso de ruptura siga a seguinte equao:

O diodo zener que mais se aproxima desde valor o modelo 1N4735, dotado de

uma tenso de ruptura de 6,2V.

6.4 Dimensionamento da resistncia em srie

O painel solar SR 5 utilizado neste projeto produz uma tenso de sada de

curto circuito no valor de 16.5V e uma corrente de 0,27A. De posse desses valores,

pode-se dimensionar a resistncia em srie.

Consoante tabela 1, obtiveram-se os dados:

Vs(mx) = 24,3 V

Vs(min) = 11 V

Conforme datasheet do diodo zener, tem-se que:

Iz(mx) = 0.146 A

Iz(min) = 0.041

Vz = 6,2V

Para garantir que a corrente zener fique entre 0.041A e 0.146A, deve-se utilizar

uma resistncia em srie no valor mnimo calculado pela frmula abaixo:

7,07,5 = ZVVBEZL VVV =

VVZ 4,6=

)1.6(mxfabI

VmxVRsmn

Z

ZS >

146,02,63,24 VVRsmn >

= 97,123RsmnUtilizando a mesma formula para calcular Rsmx tem-se:

34

De posse destes valores, utilizou-se uma resistncia equivalente de 133. Como a potncia nominal do resistor Prs deve ser maior que a potencia mxima

que ele dissipar no circuito, o valor de Prs :

fabIVmnVRsmx

Z

ZS

min