Zaloguj
Rysunek 1. Schemat ideowy ładowarki współpracującej z fotoogniwem
Schemat ideowy ładowarki pokazano na rysunku 1. Układ oparty jest o specjalizowany kontroler ZSPM4521 firmy ZMDI. Układ zawiera niezbędne elementy zarówno dla pozyskiwania energii z ogniwa słonecznego (5 V/ 0,5...5 W), jak i ładowania akumulatora zapewniając możliwość konfiguracji napięcia i prądu ładowania.
Dzięki użyciu przetwornicy impulsowej i algorytmu MPPT charakteryzuje się dużą sprawnością. Układ ZSPM4521 ma zabezpieczenia zapewniające prawidłowy proces ładowania: zabezpieczenie przed zwarciem z ograniczeniem prądowym, termiczne, nadnapięciowe.
Dostępne jest wyjście sprzętowe NFLT sygnalizacji awarii. Układ jest wyposażony w interfejs I²C umożliwiający konfigurowanie i monitowanie parametrów procesu ładowania. Parametry przechowywane są w pamięci EEPROM i po jednorazowej zaprogramowaniu jest możliwa samodzielna praca bez systemu nadrzędnego.
Napięcie z ogniwa słonecznego +5 V jest doprowadzone wejścia IN układu U1. Po przekroczeniu progu +3,15 V zostaje aktywowana wewnętrzna przetwornica ładowania, która odpowiada za kontrolę prądu, napięcia końcowego oraz śledzenie MPPT.
Rysunek 2. Sposób zapisu rejestrów konfiguracyjnych
Rezystory R3 i R4 są bocznikiem pomiarowym prądu ładowania oraz wbudowanego ograniczenia prądowego. Złącze I²C, oprócz wyprowadzeń magistrali komunikacyjnej zawiera także sygnał awarii NFLT (typu OD) oraz wewnętrzne zasilanie 3,3 V/10 mA umożliwiające np. zasilanie kontrolera sterującego.
Rezystory R1 i R2 zasilają magistralę I²C i powinny być podłączone do napięcia zasilania układu sterującego (I2C-PIN3). Termistor TH z rezystorem polaryzującym R5 służy do zmiany parametrów ładowania w zależności od temperatury ogniwa.
W nieskomplikowanych aplikacjach, w których prąd ładowania jest niewielki i nie ma ryzyka przegrzania ogniwa lub jego ładowania w niskiej temperaturze, termistor można wlutować bezpośrednio w płytkę. Lepiej jednak zastosować termistor zewnętrzny, dołączony do złącza BAT (pomiędzy THB/GND) i umieszczony bezpośrednio na ogniwie lub wykorzystać termistor wbudowany (w przypadku użycia akumulatorów np. z telefonów komórkowych).
Rysunek 3. Mapa rejestrów ZSPM4521
Rozwarcie obwodu termistora sygnalizuje brak baterii. ZSPM4521 w odróżnieniu od popularnych ładowarek MCP73833 itp., jest konfigurowany w sposób programowy, który pozwala na wpływanie na poszczególne fazy procesu ładowania. Dzięki temu możliwe jest dostosowanie parametrów do współpracującego ogniwa i znaczący wpływ na jego trwałość np. przez obniżenie napięcia końcowego ładowania.
Do poprawnej pracy U1 jest konieczna jednorazowe ustawienie parametrów. Układ jest dostępny na magistrali I²C pod adresem 0x48 (uwaga: adres identyczny z ładowarką superkondensatorów ZSPM4523). Sposób zapisu rejestrów pokazano na rysunku 2, a wykaz rejestrów na rysunku 3.
Ustawienia wymaga szereg parametrów zawartych w rejestrach CONFIG1...5. W rejestrze CONFIG1 pod subadresem 0x02 zapisywane są prąd ładowania wstępnego PRE_CHGR oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_0_10 i V_TERM_10_50.
Listing 1. Symboliczna konfiguracja ZSPM4521.
W rejestrze CONFIG2 pod subadresem 0x03 ustawiane są prąd końcowy ładowania (EOC) oraz napięcia zakończenia ładowania zależne od temperatury ogniwa zmierzonej termistorem TH: V_TERM_45_50 i V_TERM_50_60.
W rejestrze CONFIG3 pod subadresem 0x04 ustawiane są maksymalne prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 0...10°C i 10...45°C. W rejestrze CONFIG4 pod subadresem 0x05 ustawiane są prądy ładowania MAX_CHRG_CURR w zależności od temperatury ogniwa z zakresu 45...50°C i 50...60°C. Ostatni rejestr CONFIG5 pod subadresem 0x06 służy do konfigurowania prądu wyłączenia ładowania TOP_END, rodzaju termistora pomiarowego TH oraz timerów TOP_TO wyłączenia ładowania i 1C_TO maksymalnego czasu ładowania.
Status układu jest dostępny w rejestrze STATUS (0x00). Odczyt tego rejestru automatycznie kasuje flagi i stan wyjścia NFLT. Stany ostrzeżeń TSD/TOP_TO/VIN_UV/TH_OPEN nie są sygnalizowane na wyjściu NFLT. Dostęp zapis/odczyt do rejestrów STATUS/CONFIG1... STATUS/CONFIG15 jest możliwy dopiero po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EN_CFG w rejestrze CONFIG_ENABLE (0x11).
Domyślnie po restarcie EN_CFG=0 i dostęp do rejestrów jest zablokowany. Przepisanie zawartości CONFIG1...5 do wewnętrznej pamięci EEPROM jest możliwe po ustawieniu bitu D0=1, czyli flagi EE_PROG w rejestrze EEPROM_CTRL (0x12). Domyślnie zapis jes zablokowany: EE_PROG=0. Zapis jest możliwy tylko wtedy, gdy ustawiona jest flaga EN_CFG. Symboliczny sposób konfiguracji (Arduino/Energia) zamieszczono na listingu 1.
Rysunek 4. Schemat montażowy ładowarki współpracującej z fotoogniwem
Ładowarkę zmontowano na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej. Rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 4. Jej montaż nie jest trudny i nie wymaga opisywania. Istotne jest jedynie prawidłowe przylutowania pada termicznego U1. W przypadku pracy z prądami ładowania powyżej 800 mA należy do U1 dokleić niewielki radiator BGA z blaszki miedzianej.
Ładowarka nie wymaga uruchamiania - należy tylko skonfigurować parametry ładowania za pomocą zewnętrznego procesora np. Arduino, Launchpad, STM32 itp. Firma ZMDI udostępnia także oprogramowanie konfiguracyjne, które poprzez adapter USB/I²C umożliwia konfigurowanie układów. Po zaprogramowaniu za pomocą własnego programu konfigurującego warto sprawdzić prąd ładowania i napięcie końcowe na kondensatorach.
Pozostaje życzyć wielu słonecznych dni i akumulatorów pełnych energii
Adam Tatuś, EP
