Mikromocowy harvester solarny dla IoT

Układ bazuje na kontrolerze LTC3150. Integruje on wszystkie elementy niezbędne do realizacji przetwornicy podwyższającej napięcie, obwody pomocnicze takie jak komparator ULVO i dodatkowy stabilizator LDO, ułatwiające aplikację. Cechą charakterystyczną LTC3105 jest zdolność do pracy ze źródłami o niskim napięciu (>250 mV) i niewielkiej mocy z możliwością zastosowania algorytmu punku mocy maksymalnej MPPC.

Budowa i działanie

Schemat zasilacza solarnego został pokazany na rysunku 1. Napięcie wejściowe z niewielkiego panelu solarnego o napięciu znamionowym 3 V jest doprowadzone do gniazda SC.

Rysunek 1. Schemat ideowy układu

Wbudowana przetwornica podwyższająca, stabilizuje napięcie wyjściowe VOUT ustalone dzielnikiem R5, R4. W modelu wynosi ono 3,3 V, wartość napięcia może zostać skorygowana w zakresie 1,6...5,25 V wg wzoru:

Vout = 1.004 (R5/R4+1)

Przetwornica dopuszcza pracę z napięciem wejściowym wyższym od napięcia wyjściowego (VIN>VOUT), ale odbywa się to kosztem sprawności przetwarzania, która w optymalnych warunkach może sięgać 90%. Prąd wyjściowy przetwornicy zależy oczywiście od mocy zastosowanego ogniwa SC, stosunku napięć VIN/VOUT i zawiera się praktycznie w przedziale od kilku do kilkudziesięciu mA.

LTC3105 wyposażony jest w obwód pomocniczego stabilizatora LDO, który może zasilać obwody krytyczne dla pracy urządzenia, np. zasilając procesor nadzorujący, przy wyłączonych peryferiach. Napięcie wyjściowe LDO ustalane jest dzielnikiem R2, R3 w zakresie 1,4...5 V zgodnie ze wzorem:

Vout= 1.004 (R2/R1+1)

W modelu wynosi 2,5 V, pobór prądu nie powinien przekraczać 6 mA. Dla uzyskania 1,8 V wartość R2 zmieniamy na 787 kΩ. Należy pamiętać o zachowaniu marginesu napięcia zasilania co najmniej 105 mV dla stabilizatora LDO.

Sygnał PG sygnalizuje przekroczenie progu 90% napięcia wyjściowego VOUT przetwornicy. Rezystor R1=0 Ω wyłącza działanie układu MPPC. Prąd wyprowadzenia MPPC określony jest na 10 μA, dobierając odpowiednio R1 ustalamy napięcie MPPC dla konkretnego typu ogniwa zasilającego.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej, której schemat wraz z rozmieszczeniem elementów pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB, wraz z rozmieszczeniem elementów

Montaż układu nie wymaga dokładnego opisu, prawidłowo zmontowany wygląda jak na fotografii tytułowej.

W zależności od wymogów aplikacji i parametrów ogniwa SC dobieramy wartości R1, R2, R5. Dla sprawdzenia działania układu podłączamy wejście do napięcia 2,5 V poprzez rezystor 0,5 Ω/1 W i sprawdzamy napięcie wyjściowe 3,3 V oraz napięcie LDO. Jeżeli wszystko działa poprawnie, podłączamy ogniwo i sprawdzamy działanie układu przy oświetleniu słonecznym.

Przetwornica LTC3105 jest zoptymalizowana do współpracy ze źródłami o wysokiej rezystancji szeregowej, takimi jak ogniwa PV, generatory TEG, współpraca z akumulatorem może doprowadzić do problemów ze startem przetwornicy i uszkodzenia układu lub akumulatora. Układ dobrze współpracuje z mikromocowymi fotoogniwami AM Panasonic np.: AM-5412, AM-5213. Jednak należy zbilansować moc ogniwa i wymogi aplikacji oraz sprawdzić czy warunki oświetleniowe są wystarczające do zasilania współpracującego układu.

Adam Tatuś
adam.tatus@ep.com.pl