Licenta Formatata3 [628465]

1 Cuprins
1. English summary ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 3
………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. 6
2. Planificarea activității ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 9
3. Stadiul actual ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 10
3.1 Istoricul panourilor solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 10
3.2 Tipuri de panouri solare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 10
3.3 Punctul de putere maximă ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 10
3.4 Tipuri de încărcătoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 11
3.5 Algoritmi ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 12
4. Fundamentare Teoretica ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 13
4.1 Celulele fotovoltaice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 13
4.2 Efectul fotovoltaic ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 14
4.3 Modelul unei celule fotovoltaice ………………………….. ………………………….. ……………………. 14
4.4 Optimizarea dinamică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 15
4.5 Tehnici de urmăire a punctului de putere maximă ………………………….. ………………………… 16
4.5.1 Tehnici de aproximare ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 16
4.5.2 Perturb & Observe ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 16
4.5.3 Urmărirea punctului de putere maximă în funcție de parametrii de ieșire ………………. 17
4.6 Efectul mediilor zgomotoase asupra performanțelor unui sistem MPPT ………………………. 18
4.7 Stabilizatoare de curent continuu ………………………….. ………………………….. …………………… 18
4.7.1 Stabilizatoare liniare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 18
4.7.2. Stabilizatoare de tensiune în comutație ………………………….. ………………………….. …….. 19
4.8 Microcontrollere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 23
4.9. Protocoale de comunicare folosite în microcontrolere ………………………….. ………………….. 24
4.9.1 UART ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 24
4.9.2 SPI ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 24
4.9.3 I²C ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 24
5. Implementarea soluției adoptate ………………………….. ………………………….. ………………………….. 25
5.1 Microcontroller -ul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 25
5.2 Măsurarea tensiunii și a curentului ………………………….. ………………………….. …………………. 25

2 5.3 Funcționarea programului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 27
5.3 Comanda tranzistorului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 29
5.4 Sursa în comutație ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 33
5.5 Compatibilitate termică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 34
5.6 Achiziția de date ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 35
5.7 Protecția la supraîncărcare ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 36
5.8 Afișar ea datelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 36
6 Rezultate experimentale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 38
6.1 Simularea sursei în comutație ………………………….. ………………………….. ………………………… 38
6.2 Simularea algoritmului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 40
7. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 47
8. Referințe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 48
9. Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 49
9.1 Schema circuitului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 49
9.2 Codul folosit ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 50

3
1. English summary
Solar panels are electrical devices that convert the solar radiation into electrical energy. Usually
the output voltage of a solar cell is about 0.5V -0.6V. Because of that, multiple cells are
connected in series to obtain a higher voltage. The Photovoltaic effect appears in an P -N junction ,
where the energy from the photon is transferred to the electrons in the material. This causes the
electrons to jump to a higher energy state known as the conduction band. Because of this, a “hole”
is left behind in the valence band.

Figure 1: Photo voltaic effect
Solar panels were first used in space application because the high cost of the pannels were
preventing people from investing in them. In 1959, the first satellite that used solar panels was
launched. By adding solar panels to the outside of the satellite, the mission was extended without
major changes to the spacecraft or the power system. Because space users had few other options,
they were willing to invest into the development of more efficient solar panels.
But, generating higher efficien cy solar panels is not the only concern, the transfer between the
solar panel and the load provides a certain efficiency. Solar panels do not output a constant
voltage or current, the output voltage usually depends on the number of cells conected in series
and the temperature of the cell, while the irradiance level has an effect on the output current of
the solar panel.

4
So what does optimizing the power transfer mean? Well, if we look at the current -voltage
characterisitc as shown in figure 2, we can observe that in a certain area the generated power is
higher than anywhere else.

Figure 2 : Voltage to current characteristic (Sun Tech Solar)
Maximizing the transferred power is not as easy as placing a load with an input resistance in the
maximum power are level because the maximum power point is constantly changing based on
the operating temperature and solar iradiation.
In order to track the maximum power point, constant measurement of the voltage and current is
needed. Back in the day analog maximum power point trackers were used. But, because of the
difficulty of the implementation and the lower and lower microcontroller prices, a digital
approach is preffered now.
Between the solar panel and the load a switching mode p ower supply is used. This way, the
impedance can be modified by modifying the PWM signal duty cycle.
For the proposed application, an digital implementation using Arduino’s Atmega 328p
microcontroller and the Perturb and Observe algorithm were used.
In or der to implement the perturb and observe algorithm, presented in figure 3, current and
voltage measurements are needed. The voltage measurement is done by using a simple resistor
divider and the integrated 10 -bit Analog to Digital converter.

Figure 3: Vol tage divider

5

Figure 4: Perturb and Observe algorithm

For current measuring, a 10m Ω shunt resistor is used. For an input current of 2.5 Amps the
voltage across the resistor is 25mV, which is too low for the analog to digital converter. The
voltage needs to be amplified, so a INA139 current sense amplifier is used, as shown in figure 5.
The gain is determined by the resistor placed at the output of the Ic. The value used is 180k Ω,
amplifing the 25mV from the input to 4.5V at the output for 2.5A across the shunt and an output
voltage of 18mV for an 10mA current.

6

Figure :5 INA139 (Texas Instruments)
The switching mode power supply used is an boost converter , as shown in figure 6 because the
input current is continous ulike buck or buck -boost converters. Assuming that an 18V solar panel
will be used, the input voltage will vary from 16V to 22V, an output voltage of 24V is desired so
it can be used wi th 24V batteries and the input current is going to be between 200mA and 2.5A.
Because we will use an battery at the output, the output capacitor is not needed.

Figure 6: Boost converter
Arduino will read the input voltage and current by using the described methods, calculate the
input power and decide if the duty cycle should be higher or lower. In order to adjust the duty
cycle, an 12 bit digital to analog converter is used.

Figure 7: Digital to analog converter (Adafruit)

7
The output voltage of the digi tal to analog converter is then applied to the input pin of the
LTC6992 -2 IC. LTC6992 is an voltage controlled PWM oscillator, and the oscilating frequency
can be set by using an resistor, as shown in figure 8.

Figure 8: LTC6992 -2
In order to obtain the highest frequency possible, an 50k Ω resistor should be used, but because
these are not so commonly available, an 47k Ω and an 3.3k Ω resistor conected in series were
used.
The output pin of the LTC6992 is connected to the input of IF2101 MOSFET driver. The driver
can work up to 4MHz and deliver up to 210mA to the MOSFET gate. The supply voltage of the
driver and the current sense amplifier is provided by an LM7812 linear voltage regulator .
All of these components were mounted on a custom made PCB that can be seen in figure 9.

Figure 9: PCB top and bottom layers

8 An overcharge protection feature was added by using an voltage divider at the output in order to
monitor the battery voltage. If the voltage is above 27V, the duty cycle of the switching mode
power supply is reduced to minimum until the battery voltage drops.
In figure 10, an simultaion of the power tracking can be observed, yellow represents the input
current through the solar panel and red is the output voltage of the digital to analog conve rter.
Figure 10: Input power tracking

9 2. Planificarea activității

Descrierea sarcinii Durată Început Final
Alegerea unei teme de licență 10 zile 02.11.2017 12.11.2017
Dimensionarea componentelor 6 zile 15.01.2018 21.01.2018
Achiziția componentelor 12 zile 22.01.2017 04.02.2017
Asamblarea și testarea funcționalitatății de bază 12 zile 06.02.2017 18.02.2017
Cercetare funcționalități suplimentare 14 zile 04.03.2018 18.03.2018
Implementarea algoritmului 6 zile 19.03.2018 25.03.2018
Reducerea dimensiunii componentelor 4 zile 29.03.2018 2.04.2018
Adăugarea perifericelor pentru achiziția de date 4 zile 04.04.2018 08.04.2018
Realizrea documentației pentru SSET 5 zile 10.04.2018 15.04.2018
Realizrea PCB 20 zile 17.04.2018 07.05.2018
Popularea PCB -ului 2 zile 08.05.2018 10.05.2018
Scrierea documentației pentru licență 50 zile 13.05.2018 01.07.2018
Testarea funcționalității PCB -ului 3 zile 05.07.2018 08.07.2018
Revizia finașă a lucrării de licență 2 zile 09.07.2018 11.07.2018

10
3. Stadiul actual
3.1 Istoricul panourilor solare
Modulele fotovoltaice folosesc soarelui(fotoni) pentru a genera electricitate sub prin efectul
fotovoltaic. Primele panouri solare au apărut in anii 50, în laboratoarele Bell. Deși, din punct de
vedere al randamentului aceasta investiție nu era una rentabilă, a fost încorporată ca sistem de
rezervă pentru satelitul Vanguard 1. La finalul anilor 50 apar primele panouri fotovoltaice cu un
randament de 10%. Modelele acutuale pot obtine randamente de maxim 21. 5%, dar cercetătorii
de la Spectrolab au reusit să producă un model cu un randament de 40%.
3.2 Tipuri de panouri solare
Cele mai întalnite tipuri de panouri solare sunt monocristaline, policristaline sau cu film
subțire.Celule solare monocristaline sunt cele mai eficiente datorită materialelor mai pure
folosite la fabricarea acestora. Celulele policri staline sunt mai puțin eficiente decât cele
monocristaline, dar in același timp sunt mai ușor și mai ieftin de produs. Celule solare cu strat
subțire sunt clasificate în functie de materialul fotovoltaic care este depus pe substrat : siliciu
amorf și seleni ură de galiu. Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și
13%, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră.
3.3 Punctul de putere maximă
Cea mai mare problema în cazul panourilor solare este extragerea puterii maxime disponibilă .
Urmărirea punctului de putere maximă constă în optimizarea transferului de putere de la panou
către impedanța conectată la ieșirea acestuia.

Figura 1: Caracteristica curent tensiune a unei celule fotovoltaice [Sun Tech Solar]
După cum se poate observa in Figura 1, în anumite zone puterea generată de panou este mai
mare decât in celelalte, acesta este punctul de putere maximă(Maximum Power Point).

11
Pentru a realiza un trasfer de energie cât mai eficient, panoul solar trebuie să se afle cat mai
aproape de punctul de putere maxima. Din acest motiv, conectarea directă a unui consumator la
ieșirea panoului nu va permit e extracția întregii puteri disponibile la acel moment.
În astfel de aplicații, utilizarea unei surse in comutație care își poate modifica impedanța de
intrare este cea mai eficientă abordare.

Figura 2: Schema unui controll er MPPT

Datorită evoluției tehnologiei, toate controlerele MPPT din ziua de azi sunt digitale, randamentul
acestora depinzând de algoritmul implementat si de randamentul sursei in comutație.
3.4 Tipuri de încărcătoare
La momentul actual există 2 tipuri de încărcătoare pentru panouri solare. Acestea sunt PWM și
MPPT. Un controller PWM va comuta tensiunea din panoul solar pe baterie, fără a modifica
curentul ce provine din acesta. Acestea au un randament destul de scăzut, dar prețul de producție
și de achizi ție este de asemenea mic. Un controller MPPT optiminează transferul de putere,
premițând transferul maxim între panou și baterie. De asemenea, prețul unui astfel de sistem este
mai mare și complexitatea acestuia este mai ridicată.
Ambele sisteme monitorize ază tensiunea de la bornele bateriei și previne supraîncărcarea
acesteia. Alegerea unui model în defavoarea celuluilalt depinde de aplicația în care este utilizat.
Dacă sistemul este unul de putere mică, este preferat un controller PWM deoarece . Dacă
sistemul folosește mai multe panouri solare în serie sau dacă temperatura de funcționare al
panoului este scăzută este preferat un controller MPPT ce va converti tensiunea suplimentară în
curent ce va ajunge la baterii.

12
Figura 3: MPPT vs PWM (Renewable Energy)

3.5 Algoritmi
Pentru urmărirea punctului de putere maximă, diferiți algoritmi sunt folosiți, printre care cei mai
cunoscuți sunt: Perturb & Observe, Incremental Conductance, Constant Voltage. Datorită
evoluției microcontrollerelor și a algoritmilor implementați, sisteme cu logică nuanțată și sisteme
bazate pe rețele neuronale au început să fie folosite.
Figura 4: Implementare bazată pe rețele neuronale (Rihab Mahjoub Essefi, 2014)

13
4. Fundamentare Teoretica
4.1 Celulele fotovoltaice
Celulele fotovoltaice sunt dispozitive electronice ce convertesc energia solară in energie electrică
prin efectul fotovoltaic. Caracteristicile unei celule fotovoltaice (rezistență electrică, tensiune,
curent) variază in funcție de expunerea acesteia la lumină. O celulă fotovoltaică poate produce o
tensiune de ieșire de 0.5V -0.6V, de aceea în implementările reale mai multe celule sunt conectate
în serie, formând un panou solar, cu o tensiune de ieșire mai ridicată.
Efectul fotovoltaic a fost demonstrat experimental de către fizicianul francez Edmond Becquerel,
in 1839.În 1883, Charles Fritts a construit prima celulă fotovoltaică prin acoperirea unui
semiconductor de seleniu cu un strat subțire de aur. Celula astfel obținută avea un randament de
doar 1%. Din cauza randamentului scăzut și a costului mare de producție, aceasta nu a fost o
soluție practică pentru generarea de energie electrică.Prima implementare practică a celulelor
fotovoltaice a fost in 1954, î n laboratoarele Bell. Acestea au inceput să atragă atenția după
implementarea lor pe satelitul american Vanguard I, în 1958.
Primele utilizări ale celulelor fotovoltaice au fost in misiunile spațiale, ca sursă alternativă de
energie. Prin adăugarea celulel or pe fața exterioară a sateliților, durata misiunilor spațiale a fost
prelungită fără a fi necesare schimbări majore ale sistemului de alimentare.

Figura 5 :Celula fotovoltaică (Wikipedia)

14
4.2 Efectul fotovoltaic
Efectul fotovoltaic apare în celulele fotovoltaice, acestea fiind formate dintr -o joncțiune P -N. În
interiorul celulei apare un câmp electric, datorat deplasării electronilor spre zona dopată
pozitiv(P) și a golurilor spre zona dopată negativ(N). În prezen ța fotonilor, energia acestora este
transferată către un electron al materialului semiconductor , determinând saltul electronilor din
banda de valență în banda de conducție, generând o forță electromotoare.

Figura 6 : Efectul fotovoltaic [Energy education]
4.3 Modelul unei celule fotovoltaice
Modelul ideal al unei celule fotovoltaice poate fi echivalat cu o sursă de curet în paralel cu o
diodă , după cum se poate observa în figura 7 .

Figura 7:Modelul ideal al unei celule fotovoltaice

15 Sursa de curent reprezintă curentul foto -indus , care este dependent de caracteristica
semiconductorului, suprafața acestuia, iradiația acestuia și de temperatură. Acest tip de model nu
ține cont de pierderile întalnite într -o implement are reală, motiv pentru care se folosește un
model care ține cont și de pierderile ohmice.

Figura 8 : Modelul unei celule fotovoltaice, luând in considerare pierderile ohmice

Prin adăugarea rezistentelor Rs si Rp, acest model ține cont de pierderile interne ale celulei,
curenții de scurgere și rezistențele de contact. Conform teoriei lui Shockeley, circuitul prezentat
in figura 4 ține cont caracteristicile de difuzie si recomb inare ale purtătorilor de sarcina în
semiconductor .
4.4 Optimizarea dinamică
Așa cum s -a discutat în capitolul anterior, punctul de putere maximă este dependent de
temperatura și iradierea panoului solar. Aceste lucruri determină deplasarea puncului de put ere
maximă într -o zonă largă. Ca urmare, dacă s -ar conecta o baterie la ieșirea panoului solar, acesta
ar impune o tensiune fixă la care acesta ar funcțion, fapt ce determină un randament scăzut.De
asemenea, dacă tensiunea bateriei ar fi mai mare decât ten siunea de circuit deschis al panoului
soalr, aceasta nu se va încărca. Cu cât tensiunea acesteia este mai aproape de punctul de putere
maximă, cu atât puterea generată de panoul solar va fi mai mare. Același rezultat ar fi obținut si
prin conectarea unei s arcini rezistive, deoarece intersecția dintre caracteristica rezistenței si
caracteristica tensiune -curent al panoului solar nu se poate realiza in punctul de putere maximă
pe parcursul unei zile.
Prin urmare, este necesară implementarea unei conversii int ermediare, interfațând panoul solar
cu sistemul ce foloseste energia produsă. Acest sistem trebuie să fie capabil să își poată modifica
tensiunea și curentul de intrare pentru a se afla in zona de putere maximă. Folosirea unui
stabilizator liniar ar fi ine ficientă deoarece o mare parte din energie ar fi irosită ca și căldură, de
aceea sunt folosite sursele în comutație.
Deoarece circuitul adițional crește prețul sistemului, trebuie realizat un compromis între
randamentul energetic și costul acestuia. Majoritatea implementărilor practice pentru urmărirea
punctului de putere maximă sunt realizate in formă digitală. Viteza de conversie a convertoarelor
analog -digitale nu este una foarte importantă deoarece variația temperaturii și a iradiației nu este
una rapidă.

16 Pentru implementarea unor algoritmi simplii, pot fi folosite microcontrollere ieftine, dar în care
calculele pe care acestea trebuie să le realizeze devin mai complexe, se preferă folosirea
procesoarelor digitale de semnal (DSP) sau a ariilor log ice programabile (FPGA), în cazul in
care se folosesc algoritmi cu logică nuanțată sau a rețelelor neuronale.
Folosirea unui microcontroler pentru urmărirea punctului de putere maximă nu este obligatorie,
acest lucru se poate realiza și prin folosirea circ uitelor analogice. Totuși, datorită dificultății cu
care se realizează un astfel de sistem precum si de prețul scăzut al microcontrolerelor favorizează
folosirea acestora.
4.5 Tehnici de urmăire a punctului de putere maximă
4.5.1 Tehnici de aproximare
Aceste tehnici sunt numite in literatură tehnici indirecte de urmărire a punctului de putere
maximă deoarece acestea nu măsoară puterea extrasă din panoul solar, astfel punctul de putere
maximă poate fi doar aproximat.
Tehnicile indirecte se bazează pe măsura rea ocazională a tensiunii sau curentului. O metodă
indirectă se bazează pe faptul că punctul de putere maximă este undeva între 70 -80% din
tensiunea de circuit deschis al panoului . O astfel de implementare este ieftină și simplă deoarece
sistemul deconec tează sarcina de la panou, citește tensiunea de circuit deschis și setează ca
referință pentru tensiunea de intrare 75% din valoarea acesteia.Un astfel de sistem nu ține cont
de condițiile de operare ale panoului solar și de asemenea, de fiecare dată cand sarcina este
deconectată de la panou se pierde energie.
4.5.2 Perturb & Observe
Tehnica perturb& observe este cea mai folosită metodă directă de urmărire a punctului de putere
maximă, aceasta se bazează pe introducerea unor mici perturbații în sistem pentr u a deplasa
punctul de operare spre zona de putere maximă.
Conceptul pe care se bazează aceasta tehnică este următorul : tensiunea de la terminalele panoului
solar este perturbată periodic și după fiecare perturbare algoritmul de control compară tensiunea
puterea de ieșire a panoului solar dinainte și după perturbare. Dacă după perturbare puterea din
panoul solar este mai mare, înseamnă că punctul de funcționare s -a deplasat spre punctul de
putere maximă. De asemenea, dacă după perturbare puterea din panou este mai mică inseamnă
ca punctul de funcționare s -a îndepartat de punctul de putere maximă. În consecință semnul
următ oarei perturbații va fi schimbat.

17
Figura 9 : Algoritmul Perturb and Observe
4.5.3 Urmărirea punctului de putere maximă în funcție de parametrii de ieșire
Punctul de putere maximă poate fi atins și prin folosirea parametrilor de ieșire ale sursei țn
comutație. Această metodă simplifică metoda de urmărire deoarece este necesară masurarea a
unui singur parametru de ieșire. Urmărirea tensiunii sau a curentului maxim la ieșire implică
deplasarea zonei de funcționare a panoului solar spre zona de putere max imă.De asemenea
algoritmul implementat este unul mai ușor deoarece nu mai este necesară înmulțirea curentului și
a tensiunii pentru a determina puterea de intrare. Sistemele ce folosesc ca și sarcină o baterie
monitorizează deja curentul și tensiunea de ie șire pentru protecția bateriei, deci o astfel de
abordare este mai eficientă din punct de vedere al costurilor.

18 4.6 Efectul mediilor zgomotoase asupra performanțelor unui sistem MPPT
Indiferent de algoritmul implementat, măsurarea parametrilor electrici este însoțită de o anumită
incertitudine care pot afecta procesul de decizie.Rezoluția convertoarelor analog digitale,
neliniarități ale senzorilor si erorile amplificatoarelor pot afec ta performanțele sistemului, forțând
o îndepărtare față de punctul de putere maximă. De asemenea, utilizarea surselor in comutație
crează un zgomot de înaltă frecvență.
Este evident faptul că aceste surse de zgomot și incertitudine ar trebui luate în consi derare când
se proiectează un sistem de urmărire a punctului de putere maximă, dar încă nu exista destule
informații ce evidențiază efectele zgomotului asupra performanțelor sistemului. S -a remarcat
faptul că prezența zgomotului in procesul de măsurare a t ensiunii îndepartează punctul de
funcționare de punctul de putere maximă, iar prezența zgomotului în procesul de măsurare a
curentului influențează viteza cu care sistemul urmărește variațiile puterii.
Pentru a realiza un sistem cu o mai bună imunitate la zgomot, tehnici avansate de filtrare și
perturbații mai puternice generate de sistem au fost folosite. Prin creșterea pasului perturbațiilor
se îmbunătățește raporul semnal zgomot, dar acest lucru va determina oscilații într -o zonă mai
întinsă in jurul pu nctului de putere maximă. O simplă filtrare trece jos a semnalului de intrare
este suficientă pentru a inlătura zgomotul, dar aceasta poate avea și unele efecte nedorite precum
eliminarea informațiilor folositoare.
4.7 Stabilizatoare de curent continuu
4.7.1 Stabilizatoare liniare
Stabilizatoarele liniare sunt dispozitive electronice care oferă la ieșirea acestora o tensiune
continuă și stabilă. Rezistența regulatorului variază in funcție de sarcină pentru a menține la
ieșire o tensiune constantă. Din cauza faptului ca acesta disipă diferența de tensiune dintre intrare
și ieșire, randamentul este unul limitat, iar tensiunea de intrare trebuie să permită căderea de
tensiune pe dispozitivele active.
Cele mai simple stabilizatoare liniare sunt formate dintr -o diodă Zener și o rezistență in serie cu
aceasta. Un lucru important de menționat este faptul că tensiunea de ieșire este dependentă de
temperatură, în funcție de tensiunea diodei, efectul de stabilizare se poate obtine prin efectul
Zener sau prin efectul de multiplicare in avalanșă. Diodele cu valoarea in jur de 5.6V au
tensiunea cea mai stabilă in raport cu temperatura.
Stabilizatoarele serie se bazează pe principiul reacției. Acestea compară tensiunea de ieșire cu
tensiunea de referință dată de dioda zener. Variația tensiunii bază -emitor a tranzistorului este în
antifază cu variația tensiunii de ieșire, astfel că atunci cand tensiunea de ieșire va crește, va
crește tensiunea pe tranzistorul regulator care va prelua variația tensiunii de intrare.

19
Dacă semnalul de eroare este amplificat inainte să fie aplicat elementului de control, eficiența
buclei de reacție poate fi îmbunătățită.

Figura 10: Stabilizator serie cu amplificator de eroare
Reacția negativă de tensiune a fost aplicată prin intermed iul rezistențelor R1 si R2. Semnalul de
intrare în amplificator este densiunea de referință Vr, iar tranzistorul lucrând ca repetor pe emitor
poate fi considerat ca etaj final al amplificatorului.
Stabilizatoarele de tensiune fixă sunt circuite ce se găsesc gata incapsulate și acestea conțin
intern referința de tensiune, amplificatorul de eroare și bucla de reacție. Acestea nu au nevoie de
componente externe, au circuite de protecție la suprasarcină, scurtcircuit și supraîncălzire.

Figura 11 : Stabilizator de tensiune fixă (Aus3D)

4.7.2. Stabilizatoare de tensiune în comutație
Stabilizatoarele în comutație sunt convertoare de curent continuu care folosesc cel puțin un
element ce lucrează în comutație. Spre deosebire de stabilizatoarele liniare, tranzistorul
funcționează ori în saturație, ori în blocare, petrecând foarte puțin timp în zona liniară. În mod
ideal o sursă în comutație nu disipă energie, variind tensiunea de ieșire în funcție de factorul de
umplere al semnalu lui PWM aplicat tranzistorului, spre deosebire de sursele liniare ce
stabilizează tensiunea de ieșire prin disipare de putere pe tranzistor. Semnalul de intrare provine
de obicei din surse de tensiune continuă:baterii , panouri solare, redresoare.

20
Converto rul buck este un tip de convertor DC -DC care obține la ieșire o tensiune mai mică decât
cea de intrare.

Figura 12 : Convertor buck
Analizând funcționarea circuitului, se pot observa 2 etape:
În prima fază, când tranzistorul T este închis, curentul prin circuit este zero. Când tranzistorul se
deschide, curentul prin bobină începe să crească, iar bobina va genera o tensiune de sens opus.
Această tensiune va diminua tensiunea de la intrare, prin urmare scăzând tensiunea ce va ajunge
la sarcină. În timp , căderea de tensiune pe bobină se micșorează, iar tensiune de ieșire va crește.
Deoarece bobin a a stocat energie în campul magnetic, la închiderea tranzistorului, sursa de
tensiune nu va mai fi conectată la sarcină, iar bobina va furniza curent condensat orului și sarcinii.
Întrucât sarcina este alimentată fără a fi conectată la sursa de tensiune, se observă c urentul de
intrare ca fiind mai mic decât cel de ieșire, puterea transferat ă fiind egală într -un convertor ideal.
De asemenea, curentul de intrare e ste în impulsuri, iar cel de ieșire este continuu Pentru un
sistem ce folosește panouri solare este de preferat alegerea unui convertor care are curentul de
intrare continuu deoarece un convertor care are curentul de intrare în impulsuri (buck, buck –
boost) poate afecta tensiunea de intrare, astfel procedeul de urmărire a punctului de putere
maximă devenind mai dificil.
Tensiunea de ieșire a unui astfel de convertor în conducție neîntreruptă este:
(1)
Unde este factoul de umplere al semnalului PWM ce comandă tranzistorul .

21 Convertorul buck -boost (inversor) este un convertor DC -DC care poate obține la ieșire o
tensiune mai mare sau mai mică decât tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire fiind de polaritate
opusă față de cea intrare.

Figura 13 : Convertor buck -boost

În prima fază, când tranzistorul T este închis, tensiunea de la intrare este aplicată pe bobina L,
curentul prin aceasta începe să crească, iar aceasta stochează o parte din energie în campul
magnetic. Curentul de sarcină provine din condensatorul C.
Când tranzistorul T se deschide, energia stocată în bobină este transferată condensatorului de
ieșire si sarcinii.

Tensiunea de ieșire a unui astfel de convertor în conducție neîntreruptă este:

(2)
Unde este factoul de umplere al semnalului PWM ce comandă tranzistorul
Se poate observa că atât la intrare, cât și la ieșire curentul este în impulsuri, motiv pentru care
folosirea lui într -un sistem MPPT nu este recomandată, de obicei se folosesc variațiuni ale
acestui convertor cum ar fi sepic sau ćuk. Dezavantajul acestora este faptul ca folosesc mai multe
componente, ceea ce crește prețul de producție și faptul că proiectarea acestorra este mai dificilă
decât a unui convertor buck -boos t.

22 Convertorul boost este un tip de convertor DC -DC care obține la ieșire o tensiune mai mare
decât cea de intrare, fără a schimba polaritatea semnalului. Acesta mai este numit și „step -up”
deoarece „urcă” tensiunea de intrare. După apariția tranzisto arelor la nivel comercial în 1950,
realizarea comutatoarelor in comutație precum boost a devenit posibilă.

Figura 14 : Convertor boost

Analizând funcționarea circuitului, se pot observa 2 etape:
În prima fază, când tranzistorul T conduce, curentul circulă de la sursa de alimentare prin bobină
și prin tranzistor, o parte din acesta fiind stocat în bobină. Curentul de sarcină este asigurat de
condensatorul de ieșire.
La blocarea tranzistorului, tensiunea autoindusă în bobina L deschide dioda D, prin b obină
circulând curentul de sarcină și curentul de încarcare al condesatorului.
Tensiunea de ieșire a unui astfel de convertor este:

(3)
Unde este factoul de umplere al semnalului PWM ce comandă tranzistorul
Se poate remarca faptul că pentru o astfel de topologie, curentul de ieșire este în impulsuri, iar
curentul de intrare este unul continuu . De asemenea, curentul de ieșire va mai mic decât cel de
intrare puterea transferată fiind egală într -un convertor ideal.
Deși acestea oferă randamente mai bune decât stabilizatoarele liniare si dimensiunile acestora
pot fi mai mici, faptul că acestea funcționează la frecvențe ridicate generează interferențe
electromagnetice ce pot afecta circuitele din jurul acestora. Pentru reducerea i nterferențelor se
recomandă ecranarea acestora.

23
4.8 Microcontrollere
Microcontrollerele sunt circuite integrate care încorporează o unitate centrală, memorie si
diferite periferice. Acestea sunt folosite în sisteme de control automate, electrocasnice, j ucării,
sisteme embedded. Memoria inclusă în aceste este de dimensiuni mici, cele mai frecvente tipuri
de memorie folosită fiind RAM, Flash sau ROM. Frecvența la care acestea funcționează depinde
de aplicația în care sunt folosite. Unele microcontrollere funcționează la frecvențe joase precum
4kHz, acestea fiind folosite în aplicațiile în care consumul redus de energie este important, iar
altele , folosite la procesări de semnale funcționează la frecv ențe de zeci de MHz.
Acestea pot fi împărțite în 2 catego rii: Microcontrollere cu set complex de instrucțiuni (CISC)
sau cu set redus de instrucțiuni (RISC). Diferența între cele două constî în timpul de execuție al
instrucțiunilor. Microcontrollerele RISC au instrucțiuni ce se execută într -un singur ciclu, în t imp
ce microcontrollerele CISC au instrucțiuni ce pot dura mai mulți ciclii de ceas. Deoarece timpul
de execuție al instrucțiunilor într -un microcontroller de tip RISC este același, tehnici precum
piepeli ning pot fi folosite pentru reducerea timpilor de ex ecuție .
Pinii microcontrolerelor sunt de tip GPIO(General Purpose Input Output). Dacă sunt setați ca
intrări aceștia pot fi folosiți să citescă anumiți senzori , iar când sunt setați ca și ieșiri, pot fi
folosiți pentru controlul dispozitivelor externe cum ar fi motoare sau LED -uri, de cele mai multe
ori cu ajutorul unor componente externe.
Pentru interpretarea semnalelor analogice, majoritatea microcontrollerelor au convertoare
analog -digitale. Acestea transformă tensiunile de intrare în șiruri de biți ce p ot fi interpretate de
unitatea centrală.
De asemenea, majoritatea microcontrollere lor includ și time re care pot genera întreruperi sau pot
fi conectate la pini externi pentru generarea de semnale PWM.
Transferul datelor poate fi realizată prin diverse protocoale, dacă microcontrollerul este dotat cu
astfel de block -uri (UART, I²C, SPI, USB sau Ethernet)
Acestea pot fi găsite într -o largă varietate de capsule, după cum se paote observa în figura 15 .

Figura 15 Tipuri de capsule disponibile pentru Microcontrollere (SST)

24 4.9. Protocoale de comunicare folosite în microcontrolere
4.9.1 UART
UART sau universal asynchronous reciever -transmitter este un dispozitiv hardware pentru
comicare serială asincronă în care formatul datelor și viteza de transfer este configurabilă.
Comunicarea poate fi într -un singur sens (simplex), în ambele sensuri simultan(full duplex) sau
în ambele sensuri, transmiterea și recepția neputând avea loc în a celași timp(half duplex). Un
cadru de date este format dintr -un bit de start, între 5 și 8 biți de date și un bit de stop. Dacă bitul
de start are perioada de cel puțin jumatate din perioada unui bit, acesta este considerat valid și
semnalează începutul un ui nou caracter, în caz contrar acesta este ignorat. După recepția datelor,
un flag este setat, iar datele sunt disponibile sistemului. Pentru transmisia datelor, după ce
caracterul este stocat în memoria FIFO(first in first out), registrul de deplasare în cepe generarea
biților și transmiterea acestora pe linie, adaăugand biții de stop și de paritate dacă sunt folosiți.
Deoarece UART poate funcționa full duplex, un dispozitiv conține două registre de deplasare,
câte unul pentru datele transmise și cele rece pționate.
4.9.2 SPI
Interfața serială SPI este o interfață sincronă de mare viteză, pentru comunicare pe distanțe scurte.
Aceasta folosește patru semnale logice: SCLK (Serial Clock), MOSI ( Master Output Slave Input,
sau Master Out Slave In ), MISO( Master In put Slave Output, sau Master In Slave Out ),
SS/CS( Slave Select/Chip Select ).
Interfața SPI folosește un dispozitiv master și unul sau mai multe dispo itive slave. Pentru a
începe comunicarea, dispozitivul master setează frecvența ceasului la una suportată d e
dispozitivul slabe, de obicei de ordinal MHz. După aceea dispozitivul master selecteză cu care
dispozitiv slave să înceapă comunicarea, setând bitul de CS în 0 logic. La fiecare perioadă de tact,
o transmisie full duplex are loc. Dispozitivul master tran smite un bit pe linia MOSI, iar
dispozitivul slave trimite un bit pe linia MISO. Acest ciclu continua până când toată informația a
fost transmisă, după aceasta dispozitivul master deselectează dispozitivul slave și oprește
generarea semnalului de ceas.
4.9.3 I²C
Interfața I²C este o interfață serială sincronă folosită la comunicarea cu perifericele de viteză
scăzută. Aceasta folosește doar două linii: SCL și SDA , legate la linia de alimentare printr -o
rezisten ță de pull -up. Pentru transmisie, dispozitivul master „trage” linia SDA în starea low,
transmite un bit de START , adresa dispozitivului cu care vrea să comunice și un bit ce specifică
dacă acesta vrea să citească sau să scrie date . Dacă dispozitivul există, acesta răspunde cu un bit
de acknowlege. Disp ozitivul master va genera impulsuri de ceas și va plasa informațiile pe linia
SDA. Pentru încetarea transmisiei, dispozitivul master va genera o tranziție low -high pe linia
SDA.

25
5. Implementarea soluției adoptate
5.1 Microcontroller -ul
Microcontroller -ul folosit este ATMEGA328p de pe plăcuța de dezvoltare Arduino Uno

Figura 16 : Placuța Arduino (Arduino)

Acesta este un microcontroller de tip RISC ce funcționează la o frecveță de 16MHz. Perifericele
utilizate sunt convertorul analog -digital pe 10 biți, precum si interfațele SPI și I²C.
5.2 Măsurarea tensiunii și a curentului
Pentru măsurarea tensiunii la intrare s -a presupus că panoul utilizat va avea tensiunea de intrare
nominală de 18V. Un astfel de panou va prod uce tensiunea de circuit deschis de aproximativ
22V. Pentru folosirea convertorului analog -digital se folosește un divizor rezistiv pentru a reduce
tensiunea de intrare la una suportată (5V).

Figura 17 : Divizor de tensiune

26
Alegând valorile de 39 kΩ pentru R1 si 10k Ω pentru R2 și având o tensiune de 22V la intrare,
tensiunea de ieșire ce ajunge la pinul A1 al microcontrollerului va fi de 4.4 9V, după cum rezultă
din formula 4.

(4)

Pentru măsurarea curentului, o rezi stență de schunt de 10m Ω a fost folosită. Pentru un curent de
maxim 2.5A, căderea de tensiune pe aceasta va fi de 25mV conform relației 5 , iar pentru un
curent de 100mA, tensiunea va fi 1mV .

(5)
Folosind un convertor pe 10 biți, cu tensi unea de capăt de scală de 5V, variația minimă de
tensiune ce poate fi măsurată este de 4,88mV

(6)
Unde n este numărul de biți.

Figura 18 : INA139 (Texas Instruments)

Pentru a folosi toți biții convertorului, tensiunea de 25mV trebuie adusă cat mai aproape de
tensiunea de capăt de scală. Pentru aceasta, integratul INA139 de la Texas Instruments a fost
folosit. Pentru a aduce tensiunea de la intrare la o valoare ce poate fi măsurată de convertorul
analog digital, s -a ales valoarea rezistenței ca fiind 180k Ω, ceea ce va asigura o amplificare
de 180.

27 Astfel tensiunea de l a intrarea pinului A0 va fi 4,5 V pentru un curent de 2.5A respectiv 180 mV
pentru un curent de 100mA.
Pentru o variație de 1mA ave m o variație a tensiunii de 1.8 mV, dar având 4.88mV, variația
minimă de curent ce poate fi măsurată este de 2,7mA. Alimentarea integratului INA139 s-a făcut
între 0 și 12V, tensiunea de 12 V provenind de la un stabilizator liniar LM7812.
5.3 Funcționarea programului
Folosind mediul de dezvoltare Arduino IDE, s -a implementat algoritmul Pertu rb & Observe
descris in Figura 9 .
Pinii A0, A1 și A2 au fost declarați ca pini de intrare, folosind ast fel convertorul analog digital
de 10 biți integrat în microcontrollerul atmega328p. Principalele caracteristici sunt:

 Rezoluț ie de 10 biți ;
 Precizie de ±2LSB;
 6 intrări multiplexate;
 Viteza de conversie de 13 -260µs;
 Tensiune de capăt de scară ;
 Întrerupere la finalul conversiei;
Convertorul analog digital este unul cu aproximări succesive și include un circuit de
sample&hold ce menține tensiune de intrare constantă pe parcursul unei conversii. Valoarea
minimă este atinsă atunci când tensiunea de intrare este egală cu GND, iar valoarea maximă este
atinsă atunci când tensiunea este egală cu VCC -1 .
Pentru efectuarea unei conversii, tensiunea de capăt de scară este împărțită în două domenii: de
la GND la
și de la
la . Ten siunea de la intrare este comparată cu cele două intervale și
astfel se generează primul bit. Dacă tensiunea este mai mare decât
atunci acesta va fi 1, iar
domeniul rămas este din nou împărțit în două. Acest proces se repetă până când toți biții au fost
generați.

28

Figura 19 : Convertorul analog numeric (Microchip)
Convertorul necesită o frecvență de 50 -200kHz pentru a obține rezoluția maximă . Deoarece
procesele ce au loc generează semnale lent variabile în timp, rezistențele folosite în divizoarele
de tensiune pot avea valori mai mari decât 10k Ω, aceasta fiind valoarea recomand ată de
producător pentru încărcarea rapidă a condensatorului de sample&hold.

Figura 20 : Circuitul de sample and hold (Microchip)

29
După ce tensiunea și curentul de la intrare au fost măsurate, se calculează puterea de la intrare.
Aceasta este comparată cu cea generată anterior și după aceea factorul de umplere este modificat.
Tensiunea, curentul, puterea și factorul de umplere sunt afișate pe ecranul LCD, iar valoarea
puterii este salvată pe cardul SD împreună cu data, la anumite intervale orare.
După aceea valorile curente ale tensiunii și curentului devin valorile anterioare ale tensiunii și
curentului.
Deoarece la integratul LTC6992 -2 pinul DIV a fost legat la GND, factorul de umplere este
invers proporțional cu tensiune a aplicată, astfel pentru o tensiune de 0V aplicată pe pinul MOD,
factorul de umplere al semnalului de ieșire va fi 95%, iar pentru o tensiune de 1V factorul de
umplere va fi de 5%. În cazul în care tensiunea aplicată este mai mare de 1V, factorul de umplere
nu va fi afectat, acesta va rămâne fixat la valoarea de 5%.
5.3 Comanda tranzistorului
Pentru variația factorului de umplere a semnalului PWM, la Arduino s -a adăugat un convertor
digital analogic pe 12biți și interfată I²C .

Figura 21: Con vertor digital analogic (Adafruit)
Aceste este format dintr -o rețea de rezistențe, un amplificator operațional de precizie cu ieșire
rail to rail, și interfața I²C. Pinul VDD este compatibil cu o tensiune între 2.5V și 5.5V, aceasta
fiind tensiunea de referință a convertorului. Pinul GND va fi conectat la masă. Pinii SCL și SDA
vor fi legați la pinii SCL și SDA de la Arduino, folosind rezistențele de pull -up integrate în
microcontroller. Pinul A0 este folosit pentru setarea ad resei, în cazul în care se doreș te folosirea
a 2 c onvertoare digit al analogice. Prin conectarea acestuia la masă se obține adresa 0x62 .
Tensiune de ieșire va fi pe pinul Vout. Pentru această implementare este necesară o tensiune de
ieșire ce variază între 0V și 1V. In acest caz, nefolosind un amplificator cu amplificare
subunitară la ieșire, numărul de biți folosiți va fi 10.

30 Pentru folosirea acestuia s -au inclus librăriile ”Wire.h” și ”Adafruit”MCP4725.h” . Tensiunea de
ieșire este setată folosind instrucțiunea dac.setVoltage(valoare, flag_stocare), unde valoare este
un număr între 0 si 4095, iar flag -ul specifică dacă aceasta valoare ar trebui stocată in EEPROM –
ul intern astfel încât la următoare inițializare să folosească aceeași valoare.
Acest lucru va încetini procesul și va duce la uzarea memoriei EEPROM, acesta fiin d garantată
la 20.000 ciclii de scriere.

Figura 22 : Diagrama bloc a convertorului digital -analogic (Microchip)

Tensiunea de ieșire din convertor va fi aplicată integratului LTC 6992 -2, un modulator PWM
controlat în tensiune. Acesta are la ieșire un semnal PWM de frecvență variabilă, controlat de
tesniunea aplicată la intrare. Aceasta trebuie sa fie în intervalul 0V -1V. Frecvența la care
funcționează este programabilă de frecvența oscilatorului si de un divizor intern. S-a ales
varianta a 2 -a deoarece factorul de umplere este limitat între 5% și 95%.

31

Figura 23 : Integratul LTC6992 (Linear Technologies)

(7)
Pentru obținerea frecvenței de 1 MHz, este necesar ca și să fie 1. În acest caz, se alege
valoarea rezistorului de 50k Ω. Pentru a seta 1, acesta este conectat la masă. Pinul V+ va fi
conectat la ieșirea stabilizatorului de 5V din Arduino, iar pinul GND va fi legat la masă.

Figura 24 : Schema bloc a circuitului de comandă și reglaj (Linear Technologies)

32
Tensiunea de la ieșirea convertorului digital analogic va fi aplicată pinului MOD. Pe pinul OUT
vom avea un semnal PWM cu frecvența de 1MHz, a cărui factor de umplere este controlat de
Arduino.
Pentru controlul tranzistorului s -a folosit circuitul integrat IR2101. Aceste este un driver de
tranzistoare MOSFET si IGBT. Acesta suportă la intrare nivele logice de 3.3V, 5V și 15V.
Tensiunea ce este aplicată in grila tranzistorului este egală cu tensiunea de alimentare al
integrat ului, nivelul acesteia fiind între 10V și 20V.

Figura 25 : Schema bloc a driverului MOS (International Rectifier)
Curentul maxim pe care acesta îl poate furniza este de 210mA , pentru o perioadă de 10 µs.
Tensiunea de alimentare a acestuia este 12V, aceasta fiind tensiunea aplicată în grila
tranzistorului, producând o saturație mai profundă decât o tensiune de 5V.

Figura 26 : Driverul MOS (International Rectifier)
Deoarece convertorul folosit este asincron, acesta folosește un singur tranzistor. În acest caz pinii
LIN și LO nu sunt folosiți.

33 5.4 Sursa în comutație
Sursa în comutație folosită este una de tip Boost sau Step -Up. Pentru dimensionarea
componentelor, sursa respectă următoarele cerințe: Tensiunea de ieșire dorită este de 24V,
curentul maxim de ieșire este de 2.5A, curentul minim necesar conducției neîntrerupte est e de
200mA, perioada fiind de 1 µs.
Pentru o mai mare acuratețe a calculelor vom ține cont și de căderile de tensiune pe tranzistorul
comutator, dioda D si rezistența serie a bobinei

= + (8)

= (9)

= 24V+0,6V = 24,6V (10)

= 16V -0,2V -0,1V =15,7V (11)

= 22V -0,2V -0,1V = 21,7V (12)
Valoarea minimă a inductanței este:

= 9,1μH (13)
Curentul maxim prin tranzistor este:

=4,4A (14)
Tensiunea maximă suportată de tranzistor este:
= 24,6V
Tens iunea susținută de diodă este:
= 24,6V
Curentul maxim prin diodă este identic cu cel prin tranzistor și prin bobină, 4,4A, iar curentul
mediu este 2.5A.
Folosind o bateria ca și sarcină, nu mai este necesară folosirea unui condensator la ieșire
deoarece aceasta accepta la intrare variații mari alea tensiunii. Bobina aleasă este 77A -100M -00.
Inductanța acesteia este de 10 µH, iar curentul de saturație este de 5A, rezistența serie fiind de
42mΩ.

34 Tranzistorul folosit este IRF3205, produs de International Rectifier. Acsta are un curent drenă –
sursă continuu de 110A, tensiunea drenă -sursă maximă de 55V, iar rezistența drenă sursă în
saturație de 8m Ω. Dioda folosită este SB540, ce permite o suportă o tensiune de 40V si un curent
mediu de 5A.

Figura 27 : Schema sursei în comutație
5.5 Compatibilitate termică
Pentru a calcula puterea maximă disipată de acesta, se consideră c ă prin el circul ă curentul
maxim:
(16)
Folosind formula (16), puterea maximă disipată de tranzistor este 155mW.

JARthdP JT AT  max max (17)
Conform relației (17), temperatura ambientală maximă la care dispozitivul poate funcționa fără
adăugarea unui radiator este 165ﹾC.
Puterea maximă disipată de diodă este 1,25W, conform relației(16)
Temperatura maximă ambientală la care poate funcționa fără radiator este 125 ﹾC, aceasta poate fi
folosită fără a fi necesară montarea unui radiator.

35
5.6 Achiziția de date
Pentru stocarea informațiilor s -a adăugat un Data Logging Shield
Figura 28 : Data logging shield [Adafruit]
Acesta permite scrierea datelor pe carduri în format FAT16 sau FAT32 , conține un stabilizator
liniar de 3.3V și un modul RTC.
Comunicarea cu cardul SD se realizează prin interfața SPI. Cu ajutorul unui level shifter,
tensiunea de 5V din pinii MOSI, MISO, CLK și CS este coborâtă la 3.3V astfel încât cardul nu
va fi deteriorat.
Pentru inițializarea cardului SD au fost folosite librăriile „SD.h” și „SPI.h”. Funcțiile folosite din
aceas tă librărie sunt:
 open() –Deschide fișierul pentru editare, dacă acesta nu există, îl creează;
 close() – Închide fișierul, astfel se asigură scrierea datelor pe card;
 print() – Scrierea datelor în fișier în format ASCII;
 println() – Scrierea datelor în fiș ier în format ASCII, urmat de carriage return și newline;

De asemenea pentru salva rea datel or la un anumit interval orar, este folosit și modulul RTC(Real
time clock). Folosirea unui numărător integrat în arduino ne permite numărarea secundelor,
minutelor sau a orelor, dar nu ne permite să salvăm aceste date. Astfel. În cazul unui reset începe
iarăși numărătoarea de la 0, de aceea s -a optat pentru un modul RTC. Acesta estea realizat cu
ajutorul integratului DS 1307 , a unui oscilator cu cuartz compensat pentru variațiile de
temperatura de 32 ,768khz, interfața I²C și o baterie de 3V CR1220 pentru a nu pierde informația
în cazul în care microcontrollerul nu este alimentat.

36
 Pentru inițializarea acestuia, librăriile „wire.h” și "RTClib.h" au fost folosite. Funcțiile
folosite din această librărie sunt:
 begin() –Inițializează modulul RTC;
 getHours() –Returnează valoarea orei;
 getMinutes() –Returnează valoarea minutelor;
 getSeconds() –Returnează valoarea secundelor;
 getYear() –Retu rnează valoarea anului;
 getMonth() –Returnează valoarea lunii;
 getDay() –Returnează valoarea anului;

Folosind instructiunea „rtc.adjust(DateTime(F(__DATE__), F(__TIME__)));” acesta este setat la
ora la care a fost setat calculatorul în momentul compilării .
5.7 Protecția la supraîncărcare
Pentru monitorizarea tensiunii de ieșire, un divizor rezistiv (14) a fost folosit. Acesta are
R1=47k Ω și R2= 10k Ω, tensiunea ce va ajunge pe pinul microcontrollerului va fi 4,74V pentru
tensiunea de 27V. Dacă această tensiune este depășită, microcontrollerul va schimba factorul de
umplere ce comandă tranzistorul la valoarea minimă (5%) limitată de integrat. În acest caz,
panoul solar nu mai funcționează la putere maximă până cand tensiunea din baterie nu va scădea.
Prin folosirea unui invertor și conectarea sistemului la rețeaua de alimentare, tensiunea din
baterie nu va ajunge niciodată la valoarea maximă, lucru ce va permite funcționarea panoului
solar la putere maximă pe durata întregii zile.
5.8 Afișarea datelor
Pentru afișarea datelor importante precum valoarea curentă a tensiunii, valoarea curentă a
curentului, puterea curentă și factorul de umplere aplicat, se folosește un LCD de tipul 16×02.

Figura 29 : Schema bloc LCD (Sparkfun)

37
Alimentarea acestuia s -a realizat de la pinii de 5V și GND din plăcuța Arduino. Pentru reglarea
contrastului, un potențiometru de 10k Ω a fost plasat între pinii VDD și VSS. Transferul datelor
s-a realizat pe 4 biți, în acest caz pinii DB0 -DB3 nu au fo st utilizați.
Librăria „LiquidCrystal.h” a fost utilizată pentru comunicarea cu LCD -ul. Pinii 2 -7 au fost setați
ca și pini de ieșire, iar funcțiile folosite au fost:
 begin()
 setCursor()
 print()
 noCursor()
 noBlink()
De asemenea, pentru a fi posibil ă citirea datelor de pe LCD, informațiile nu sunt updatate la
fiecare rulare a programului principal, ci doar o data la 100 de rulări, în caz contrar, datorită
frecvenței mari cu care datele sunt modificate pe LCD, aceste a nu pot fi citite.
Pentru limitarea curentului prin LED -ul de backlight al modulului, o rezistență de 470 Ω este
folosită.

Figura 30 : LCD -ul 16X02

38
6 Rezultate experimentale
6.1 Simularea sursei în comutație
Deoarece această implementare a unei surse în comutații nu are reacție, se dorește arătarea
faptului ca tensiunea de ieșire este mai mare de 24V pentru a permite încărcarea bateriei, în
condițiile în care tensiunea de intrare este minimă.
Pentru această simulare s -a adăuga t la ieșire un condensator de 1 µF pentru a se evidenția
tensiunea de ieșire pentru o tensiune de intrare de 16V și o sarcină de 20Ω.
Figura 31 : Simulare convertor boost

39

Tensiunea de ieșire oscilează în jurul valorii de 26V, astfel conectând la ieșire o rezistență de
20Ω, curentul prin sursă este ap roximativ 1.3A. Se poate observa în al doilea grafic faptul că
acestă sursă funcționează în conducție neîntreruptă, curentul prin bobină nu ajunge la valoarea
zero.
De asemenea în graficele 3 și 4 se poate observa curentul prin diodă respectiv tranzistor.
Valoarea maximă a acestora nu depășește va loarea maximă calculată de 4.6A .

Figura 32 : Tensiunea pe Bobină, Diodă, Tranzistor
În figura 32 se poate observa faptul că tensiunea maximă pe diodă și pe tranzistor nu depășește
30.6V, valoarea obținută în urma calculelor.
Pentru un curent de sarcină de 2.6A și cu tensiunea de intrare de 16V, tensiunea de ieșire este
aproximativ 26V pentru un factor de umplere de 0.35.

40

Figura 33 : Circuitul folosit în simulare
6.2 Simularea algoritmului
Pentru simularea algoritmului implementat, panoul solar, microcontrollerul și perifericele au fost
simulate în Proteus.
Figura 34: Modelul panoului solar

41
Acesta produce la ieșire o tensiune de circuit deschis de 21V. Prin adăugarea rezistenț elor R1 și
R2 se ține cont de pierderile interne ale panoului și de rezistențele de contact. Se folosește o
sursă de curent de tip Pulse, care va furniza salturi în curentul de intrare, simulând variația
radiației luminoase incidente pe panou .
Figura 35 : INA168
Pentru măsurarea curentului s -a folosit integratul INA168 și o rezistență de 10m Ω, prezent e în
figura 29. D eoarece INA139 n u se afla în librăriile proteus s -a ales INA168, singura diferență
între cele 2 integrate fiind în alegerea rezistenței cu ca re se seteză câștigul, aceasta fiind de 5 ori
mai mare în cazul INA168.

Figura 36 : Sursa de tensiune/Divizoarele rezistive

42
După cum se poate observa în figura 30, sursa în comutație a fost înlocuită cu o sursă de tensiune
controlată în tensiune, tensiunea aplicată fiind tensiunea de la ieșirea convertorului digital
analogic, amplificată.
Pentru a vedea mai ușor rezultatele, tensiunea de la ieșirea convertorului digital analogic a fost
amplificată, iar curentul din panoul solar este aplicat unei s urse de tensiune controlată în curent
ce are la ieșire o tensiune proporțională cu acesta.

Figura 3 7: Urmărirea curentului de la intrare
În figu ra 37 se poate observa cu galben curentul prin panoul solar, iar cu roșu este tensiunea de la
ieșirea convertorului digital analogic, amplificată pentru o mai bună vizualizare. Se remarcă
faptul că algoritmul urmărește puterea de intrare.

Figura 38 : LCD 16×02

43
Pentru montarea componentelor s -a realizat un PCB de tipul „shield” pentru Arduino. Deoarece
dimensiunile acesteia nu permiteau realizarea traseelor pe un singur strat s -a apelat la o firmă
specializată.

Figura 39 : PCB top view

Figura 40 : PCB bottom view

44
Pentru sursa în comutație, s -au trasat conecțiunile pe layer -ul de bottom, grosimea traseului fiind
de 65mil, acesta suportând un curent maxim de 3.4A la temperatura de 40 ﹾC. Celelalte trasee au
o grosime de 15mil și suportă un curent maxim de 1.1A la 40 ﹾC. Pentru minimalizarea apariției
inductanțelor parazite și pentru reducerea traseelor s -a folosit un plan de masă pe layer -ul de
bottom.

Figura 41 : PCB -ul populat
Figura 42 : Arduino cu data logging shield și MPPT shield

45 Deoarece rezistențele de 50k Ω nu sunt ușor de găsit, în locul acesteia s -au lipt 2 rezistențe, una
de 47k Ω și una de 3.3kΩ, toleranța 1%.
Astfel, frecvența obținută la ieș ire poate fi văzută în figura 43 .

Figura 43 : Semnalul PWM
Salvarea pe card a datelor are loc un interval de 10s, după cum se poate observa în figura 38.
Figura 44 : Datele salvate pe card

46 Pentru o mai ușoară vizualizare, aceste pot fi introduse in Excel și se poate genera un grafic care
să reprezinte variația p uterii la anumite intervale orare , după cum se poate observa:
Figura 45 : Variația puterii – Reprezentare grafică

47 7. Concluzii
Realizarea unui sistem ce urmărește punctul de putere maximă este complet ă. Prin conectarea
acestuia între u n panou solar și o baterie se p oate îmbunătăți transferul de putere între acestea .
Deoarece aceasta a fost prima variantă funcțională creată, anumite optimizări ale circuitului au
fost emise. Prin înlocuirea diodei cu un tranzistor, randamentul circuitului p oate fi îmbunătățit,
totodată existând posibilitatea de a deconecta sarcina de la intrare pentru a preveni
supraîncărcarea bateriei. Totuși, acesta este funcțional și îndeplinește scopul pentru care a fost
creat. Așa cum a fost prezentat în figura 37, prin algoritmul implementat sunt urmărite variațiile
puterii de la intrare, puterea disponibilă în panoul solar la acel moment fiind extrasă.
În momentul scrierii acestei lucrări, există doar un prototip funcțional, dar datorită folosirii unor
componente uzual e, fabricarea mai multor exemplare poate fi realizată cu ușurință.
Costul aproximativ pentru un astfel de sistem este aproximativ 40$, dar în cazul în care se
dorește producerea în masă a acestora, prețul total de producție ar fi mult mai scăzut.

48
8. Referințe

[1]. Petreuș, D. (2002). Electronica surselor de alimentare. Cluj-Napoca.
[2]. Nicola Femia. Giovanni Petrone, G. S. (n.d.). Power Electronics and Control Techniques
for Maximum Energy arvesting in Photovoltaic Systems.
[3]. Adafruit . (n.d.). Retri eved from https://learn.adafruit.com/adafruit -data-logger –
shield/overview
[4]. Arduino . (n.d.). Retrieved from https://store.arduino.cc/arduino -uno-rev3
[5]. Aus3D. (n.d.). Retrieved from http://aus3d.com.au/lm7812
[6]. Energy education . (n.d.). Retrieved from
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photovoltaic_effect
[7]. International Rectifier . (n.d.). Retrieved from
https://www.infineon.com/dgdl/ir2101.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c7a755166c
[8]. Linear Technologies . (n.d.). Retrieved from http://www.analog.com/media/en/technical –
documentation/data -sheets/69921234fc.pdf
[9]. Microchip. (n.d.). Retrieved from
https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328P
[10]. Microchip. (n.d.). Retrieved from
https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/MCP 4725.pdf
[11]. Renewable Energy . (n.d.). Retrieved from
https://renewableenergyheights.wordpress.com/2014/06/23/mppt -charge -controllers –
versus -pwm/
[12]. Rihab Mahjoub Essefi, M. S. (2014). Maximum Power Point Tracking Control
Using Neural Networks for Stand -Alone Pho tovoltaic Systems. International Journal of
Modern Nonlinear Theory and Application , 13.
[13]. Sparkfun . (n.d.). Retrieved from
https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/ADM1602K -NSW -FBS-3.3v.pdf
[14]. SST. (n.d.). Retrieved from https://electroiq.com/2005/08/materials -and-methods –
for-ic-package -assemblies/
[15]. Sun Tech Solar . (n.d.). Retrieved from https://suntechsolar.ca/faq/v -curve -report/
[16]. Texas Instruments . (n.d.). Retrieved from
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina139.pdf
[17]. Wikipedia . (n.d.). Retrieved from https://en.wik ipedia.org/wiki/Solar_cell

49 9. Anexe
9.1 Schema circuitului

50 9.2 Codul folosit

51

52