EH_ADP5090 - inteligentna przetwornica do energy harvesting

EH_ADP5090 - inteligentna przetwornica do energy harvesting
Pobierz PDF Download icon
Dzięki zmniejszeniu poboru mocy przez urządzenia elektroniczne coraz bardziej popularne staje się zasilanie ich za pomocą energii pozyskiwanej z otoczenia. Do tego celu są wykorzystywane źródła niekonwencjonalne, takie jak: miniaturowe ogniwa słoneczne, generatory piezo- i termoelektryczne (TEG), anteny pozyskujące energię z pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości. W niektórych wypadkach jest możliwe całkowite wyeliminowanie zewnętrznych, typowych źródeł zasilania, jak sieć energetyczna lub baterie czy akumulatory. Rekomendacje: urządzenie przyda się do samodzielnie wykonywanych aplikacji energy harvesting lub do eksperymentowania z alternatywnymi źródłami zasilania.

Rysunek 1. Budowa wewnętrzna ADP5090 (za notą AD)

Aby efektywnie wykorzystać energię pozyskaną z otoczenia, producenci układów scalonych uzupełnili ofertę o specjalizowane kontrolery zarządzające nie tylko samym procesem gromadzenia energii, ale zapewniające odpowiednie zabezpieczenia i rozdział pozyskanej energii. Przykładem takiego układu jest ADP5090 firmy Analog Devices. Jego schemat wewnętrzny pokazano na rysunku 1.

Układ ADP5090 zawiera pompę ładunkową i przetwornicę podwyższającą napięcie, zdolną do pracy w zakresie napięcia wejściowego 0,1...3,3 V. Umożliwia to stosowanie tanich, niskonapięciowych ogniw słonecznych lub generatorów TEG.

Przy współpracy z ogniwem słonecznym jest możliwe wykorzystanie algorytmu MPPT (śledzenie punktu maksymalnej mocy) i elastyczne dopasowanie się przetwornicy do poziomu pozyskiwanej energii. Energia pozyskana ze środowiska może zostać zgromadzona w kondensatorze lub w akumulatorze BAT.

Rysunek 2. Schemat ideowy modułu energy harvestera z ADP5090

Układ nadzorujący umożliwia wyłączenie przetwornicy podwyższającej, gdy energia dostarczona ze źródła jest zbyt mała i istnieje zagrożenie niepotrzebnym rozładowaniem elementu gromadzącego MINOP.

Dodatkowo, realizowane są zabezpieczenia przed przeładowaniem TERM (ograniczenie maksymalnego napięcia ładowania) i przed nadmiernym rozładowaniem SETSD (ograniczenie minimalnego napięcia rozładowania) zapobiegające uszkodzeniu ogniwa chemicznego.

Układ uzupełnia obwód źródła rezerwowego z automatycznym przełączeniem, umożliwiającym realizację funkcji BACK_UP np. z użyciem ogniwa litowego w wypadku niedostatecznej ilości energii zgromadzonej w źródle podstawowym BAT. Do kontroli pracy ADP5090 jest dostępny sygnał wyłączenia DIS_SW i potwierdzenie poprawności zasilania PGOOD (Power Good) z ustalanym progiem zadziałania SETPG.

Rysunek 3. Modelowe "fotoogniwo"

Schemat ideowy modułu z układem ADP5090 zamieszczono na rysunku 2. Do pozyskiwania energii z otoczenia można zastosować np. moduł fotoelektryczny, którego schemat pokazano na rysunku 3. Zbudowano go z czterech połączonych równolegle łańcuchów złożonych z pięciu fotodiod BPW34.

Ilość łączonych gałęzi zależy od oczekiwanej wydajności prądowej "ogniwa". W modelu zastosowano dwa łańcuchy. Oczywiście, jest możliwe zastosowanie typowego mikroogniwa słonecznego. Ważne, aby nie przekraczać dopuszczalnego napięcia wejściowego ADP5090 wynoszącego 3,3 V.

Napięcie z ogniwa jest doprowadzone do wejścia przetwornicy U1. Kondensator C1 filtruje napięcie wejściowe i przez niewielką wydajność źródła napięcia musi mieć jak najmniejszy prąd upływu, aby nie marnować energii źródła. Dzielnik rezystancyjny R8/R9 oraz kondensator C2 są elementami obwodu MPPT. Wartość napięcia mocy maksymalnej można ustalić za pomocą dzielnika R8/R9. W prototypie to około 70% napięcia maksymalnego. Funkcja MINOP jest ustalana przez rezystor R7.

Rysunek 4. Tryby pracy ADP5090

Pozyskiwana energia jest gromadzona w superkondensatorze CS o pojemności 0,22 F/3,6 V. Aby zabezpieczyć CS przed uszkodzeniem zbyt wysokim napięciem ładowania, wykorzystywano dzielnik dołączony do wyprowadzenia TERM. Wartość maksymalnego napięcia ładowania ustalono na 3,5 V zgodnie ze wzorem:

V_TERM = 3/2 Vref (1 + R1/R6)
gdzie Vref= ~1.22 V

Napięcie minimalne ładowania ustalono na 2,1 V, zgodnie ze wzorem:

V_SD = Vref (1 + R2/R5)

Próg sygnalizacji poprawnego zasilania 2,7 V określa dzielnik rezystancyjny złożony z R3/R4:

V_SD = Vref (1 + R2/R5)

Rezystory dzielników można zmienić dostosowując się do potrzeb własnej aplikacji. Należy pamiętać o spełnieniu warunku, aby suma rezystancji każdego z dzielników przekraczała 6 MV, aby nadmiernie nie obciążać źródła. Każdy z komparatorów TERM/SD/PG ma wbudowaną histerezę. Poszczególne progi i tryb pracy ADP5090 przedstawia rysunek 4.

Rysunek 5. Schemat montażowy modułu energy harvestera z ADP5090

Układ uzupełnia bateria CR1220 pełniąca funkcję zasilania rezerwowego. Zasilanie i sygnały sterujące doprowadzone są do złącza PWR. Kondensatory C3 i C4 filtrują zasilanie i podobnie jak C1 musza mieć możliwie małą upływność. Wyłączenie przetwornicy jest możliwe przez podanie poziomu wysokiego na wyprowadzenie PWR-4 (sygnał EN). Stan wysoki sygnału PG sygnalizuje poprawność zasilania. Jest on dostępny na wyprowadzeniu PWR-3.

Układ jest zmontowany na niewielkiej, dwustronnej płytce drukowanej. Na osobnych płytkach zmontowano ogniwo i przetwornicę. Rozmieszczenie elementów przedstawia rysunek 5. Ważne, aby po montażu dokładnie umyć i odtłuścić płytki, ponieważ ze względu na niewielkie prądy i duże rezystancje dzielników, każde zabrudzenie wpływać na poprawną pracę układu. Montaż układu nie wymaga opisu, prawidłowo zmontowany moduł działa od razu do dołączeniu do źródła.

Po uruchomieniu pozostaje tylko życzyć powodzenia w łapaniu elektronów ze środowiska....

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Luty 2015
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje lipiec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów