S6AE101 - harvester solarny

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 mocy. Przykładem takiego układu jest S6AE101 firmy Cypress Semiconductors zastosowany w opisywanym harvesterze.

Układ S6AE101 współpracuje z ogniwem fotowoltaicznym oraz ogniwem chemicznym. Próg rozruchu to 1,2 mW, a pobór prądu na potrzeby własne 250 nA. Układ zawiera klucze sterowane poziomami napięć ogniw, odpowiednio przekierowujące moc pozyskaną z poszczególnych źródeł pomiędzy kondensator gromadzący (dołączony do wyprowadzenia Vstore1), a wyjście układu (VOUT1). Dodatkowy obwód rozładowania pojemności wyjściowej (VOUT1) ułatwia pracę zewnętrznego obwodu detekcji zasilania i generowania sygnału reset.

Schemat ideowy harvestera pokazano na rysunku 1. Jako przetwornik energii słonecznej na napięcie (VDD) zastosowano szeregowy łańcuch fotodiod FD1…FD11 typu BPW34. Alternatywnie można użyć połączonych równolegle, scalonych fotoogniw CPC1822 lub niewielkiego fotoogniwo zewnętrznego. Dla poprawnej pracy układu ogniwo powinno dostarczać napięcie 4,5…5,5 V i przy prądzie zwarcia na poziomie kilku mA. Układ jest zabezpieczony przed napięciem zasilania powyżej 5,5 V, natomiast prąd zabezpieczenia ustalono na 6 mA. Dioda D1 zabezpiecza układ przed odwrotnym podłączeniem ogniwa.

Od wydajności ogniwa zależy czas konieczny do zgromadzenia energii niezbędnej do rozpoczęcia pracy układu. Pozyskiwana energia jest gromadzona w kondensatorze tantalowym CE1 o niewielkiej upływności. Napięcie wyjściowe OUT jest doprowadzone do złącza PWR. Opcjonalnie, gdy jest konieczne zasilanie niezależnie od warunków oświetleniowych, do złącza PWR (1-BAT)
należy przyłączyć baterię zewnętrzną.

Praca układu polega na cyklicznym sterowaniu kluczami w taki sposób, aby gromadzić maksymalnie dużo energii w kondensatorze CE1 i gdy spełnione są warunki związane z zakresem napięcia wyjściowego – podanie go na wyprowadzenie VOUT1. Progi komparatorów sterujących określane są rezystorami R1…R3. W opisywanym prototypie układ pracuje (podaje napięcie na wyjście OUT), gdy napięcie na kondensatorze gromadzącym zawiera się w przedziale 2,5…3,3 V.

Rezystory dzielników można zmienić dostosowując harvester do wymagań zasilania własnej aplikacji. Przy dobrze należy pamiętać o spełnieniu warunku, aby suma rezystancji dzielnika przekraczała 10 MV, po to, aby niepotrzebnie nie obciążać źródła.

Górny próg napięcia wyłączenia obliczamy ze wzoru VVOUTH = 57.5 * (R2+R3) / 11.1 * (R1 + R2+R3) [V], a dolny próg za wzoru VVOUTL = 57.5 * R3 / 11.1 * (R1 + R2+R3) [V].

Układ zmontowano na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej (rysunek 2). W zależności od zastosowanego typu ogniwa (BPW34/CPC1822) należy wlutować odpowiednie elementy na warstwie top (płytka jest wspólna dla obu typów). Ważne, aby po lutowaniu dokładnie umyć i odtłuścić płytki. Ze względu na niewielkie prądy i duże rezystancje dzielników, każde zabrudzenie może wpływać na poprawną pracę układu.

W praktyce, dla modułu z diodami BPW (fotografia 3) do rozpoczęcia pracy wystarczy oświetlenie żarówką o mocy 20 W z odległości ok. 1 m, dla modułu z CPC1622 (fotografia 4) jest wymagane silniejsze oświetlenie. Dla sprawdzenia pracy do wyjścia należy dołączyć rezystor 100 kV oraz woltomierz napięcia stałego. Po oświetleniu fotoogniw i naładowaniu CE1 na wyjściu powinno wystąpić napięcie. Po usunięciu źródła światła napięcie będzie malało aż do osiągnięcia progu dolnego, który wyłączy napięcie wyjściowe. Po sprawdzeniu uruchomieniu pozostaje tylko życzyć powodzenia w wyłapaniu fotonów z otoczenia

Adam Tatuś, EP