Nowe konwertery do aplikacji zasilanych energią wolnodostępną

Rys. 1. Schemat blokowy przykładowego systemu czujnika z komunikacją bezprzewodową

Źródła energii można znaleźć niemal wszędzie w otoczeniu. Można na przykład korzystać z energii mechanicznej urządzeń, żywych stworzeń i sił natury oraz ze zmian sił elektrostatycznych lub magnetycznych. Wykorzystuje się także przepływ gazów i cieczy, zmiany ciśnienia i różnice temperatury. Możliwe jest także odbieranie energii fal elektromagnetycznych lub akustycznych, wykorzystywanie reakcji chemicznych i wielu innych. Jednakże przystosowywanie układów do tak specyficznych warunków nie jest łatwe.

Najważniejszym elementem w systemach pozyskiwania energii wolnodostępnej jest oczywiście przetwornik a najbardziej popularnym przykładem może być ogniwo słoneczne. Prąd elektryczny wytworzony przez przetwornik musi zostać przekształcony na użyteczną wartość napięcia lub prądu wymaganą do zasilania lub ładowania systemu pośredniego jak superkondensator lub akumulator.

Funkcje wymagane od systemu zarządzającego działaniem przetwornika energii wolnodostępnej to dopasowanie impedancji, zapewniające wykorzystanie maksymalnej wartości generowanej przez przetwornik energii, a kolejne to ładowanie dołączonego magazynu (akumulator, superkondensator), generowanie napięcia o wartości wymaganej przez odbiornik oraz monitorowanie przepływu prądu dla zapewniania niezawodnego działania.

Dodatkowo kontroler powinien zużywać jak najmniej energii na własne potrzeby po to, aby jak najwięcej jej trafiało na wyjście. Rysunek 1 przedstawia schemat blokowy przykładowego systemu czujnika z komunikacją bezprzewodową (temperatury, wilgotności) lub detektora obecności w systemach security, ale podobna struktura spotykana jest też w aplikacjach elektroniki noszonej, medycynie.

Rys. 2. Źródła energii wolnodostępnej i typowe wymagania energetyczne aplikacji

Systemy zasilania tego typu stają się coraz popularniejsze, gdyż potrzeby energetyczne urządzeń elektronicznych są coraz mniejsze i daje się coraz łatwiej znaleźć takie rozwiązania, że wydajność dostępnych przetworników jest wystarczająca.

Postęp jest po obu stronach, bo skuteczność wychwytu energii z otoczenia też się poprawia, a coraz bardziej zaawansowane układy kontrolerów zapewniają zarządzanie zasilaniem przy pomijalnie małych stratach. Efekt jest taki, że jeszcze 10 lat temu był to temat nieco nierealistyczny w zasadzie bez przełożenia na praktyczne aplikacje, dzisiaj jest już ich wiele i mają one sens ekonomiczny, a nie tylko techniczny.

W zależności od tego, co jest źródłem energii, napięcie generowane przez przetwornik jest stałe lub przemienne, przez co wymagania dotyczące konwertera energii się zmieniają. Na rysunku 2 pokazano, ile dostarczają poszczególne źródła i jakie są wymagania typowych aplikacji. Przyjęto założenie, że przetwornik zajmuje tutaj obszar 10 cm², a skala rysunku jest zbliżona do logarytmicznej. Jak widać, potrzeb energetycznych wielu aplikacji nie da się pogodzić z tym, co dostarczają określone źródła i już na początku trzeba być świadomym wielu ograniczeń.

Konwerter

Rys. 3. Schemat blokowy układu zarządzania energią w aplikacjach energy harvesting

Układ konwertera energii dostarczanej przez przetwornik jest centralną częścią takiego systemu zasilania, a jego parametry w dużej mierze decydują o możliwościach aplikacyjnych. Wiele źródeł, czego przykładem mogą być ogniwa słoneczne, ma dużą rezystancję wewnętrzną i na ich wyjściu napięcie zmienia się w szerokim zakresie.

Bez odpowiedniego konwertera nie będzie możliwe wykorzystanie całej generowanej energii, gdyż przy silnym oświetleniu trzeba zapewnić wysoką sprawność, a przy słabym oświetleniu konwerter też musi zapewnić działanie i ładowanie akumulatora. Rysunek 3 przedstawia schemat blokowy systemu zasilania energią wolnodostępną ADP5090 firmy Analog Devices.

Jest tam układ startu z pompą ładunku podwyższającą napięcie zasilające dla obwodów kontrolera. Dzięki temu pracuje on już ze źródłami od 380 mV. Gdy całość działa normalnie, zasilanie dla kontrolera pobierane jest z wyjścia, przez co układ startowy nie jest już potrzebny. Taki sposób zapewnia poprawne działanie nawet, gdy podczas pracy napięcie wejściowe obniży się do 80 mV (1,9 V na wyjściu). Jest to wygodne, gdyż nawet w trudnych warunkach układ ADP5090 się nie wyłącza. Kolejną zaletą jest bardzo niski pobór prądu spoczynkowego - jedynie 260 nA.

Rys. 4. Typowy czas dostępności oświetlenia dla ogniw PV w budynkach

Na rysunku 4 pokazano dostępność zasilania dla typowych miejsc pracy w domu dla czujnika zasilanego z ogniwa słonecznego. Jak widać, dostępność światła zmienia się wraz z miejscem pracy i jest uzależniona od architektury budynku oraz liczby okien.

Wpływ na dostępność zasilania ma także lokalizacja geograficzna domu oraz pora roku. Im mniej energii pobiera układ zarządzania zasilaniem, tym sprawniej całość działa, bo jak widać z tych uśrednionych danych, nierzadko przez ponad połowę czasu stanowi on obciążenie dla akumulatora, a nie źródło.

Konwerter energii w układach energy harvesting wydaje się zwykłą przetwornicą DC-DC, niemniej to tylko pozory, bo nie reguluje on ani napięcia ani prądu wyjściowego. Pętla sprzężenia zwrotnego jest ustawiona tak, aby sterowała impedancją wejściową tej przetwornicy. Taka potrzeba wynika z charakterystyki wielu źródeł energii, czego przykładem może być pokazana na rysunku 5 charakterystyka ogniwa słonecznego.

Przy silnym oświetleniu i braku obciążenia napięcie wyjściowe jest wysokie, ale na skutek dużej rezystancji wewnętrznej szybko spada pod obciążeniem. Środek krzywej pokazanej na rysunku 5 (tzw. kolano) to miejsce, gdzie oddawana moc jest największa (MPPT - maximum peak power tracking). Aby zapewnić maksymalnie wysoką sprawność, układ konwertera musi to zaznaczone na wykresie miejsce śledzić.

Rys. 5. Krzywa U-I dla ogniwa fotowoltaicznego

Ustawienie na sztywno prądu pobieranego niestety nie zadziała, bo kształt krzywej zależy od natężenia oświetlenia. Śledzenie MPP w ADP5090 polega na tym, że układ okresowo na chwilę przestaje pobierać prąd z ogniwa i dokonuje pomiaru napięcia bez obciążenia. Następnie zwiększa pobór prądu i wyznacza położenie "kolana". Taki cykl powtarza się co 16 sekund.

Śledzenie punktu MPP zapewnia maksymalnie dużą sprawność układu dla ogniw słonecznych i generatorów termoelektrycznych. Kolejnym zadaniem dla układu zarządzającego zasilaniem jest kontrola napięcia wyjściowego po to, aby nie przekroczyć wartości granicznych i ładowanie akumulatora na wyjściu.

Akumulator lub bateria

Rys. 6. Uproszczony schemat gotowego systemu z ADP5090

Dołączone do wyjścia układu ADP-5090 ogniwo lub superkondensator stanowi źródło energii dla dołączonej elektroniki (mikrokontroler, transceiver komunikacyjny) i jednocześnie jest jedynym elementem zasilającym, gdy jest ciemno. Niemniej warto dodać, że podawany jako przykład sterownik może też współpracować ze zwykłą baterią (jednorazową). Wówczas działanie sprowadza się do wydłużania czasu jej wykorzystania. W takim przypadku sterownik kieruje na wyjście całą zebraną energię wolnodostępną, a gdy jest jej za mało, uzupełnia braki z baterii.

Ostatni rysunek 6 pokazuje uproszczony schemat gotowego systemu. Główny kontroler ADP5090 został w nim uzupełniony o dodatkowy konwerter DC-DC ADP5310 dostarczający dwóch stabilizowanych napięć wyjściowych niezbędnych do zasilania aplikacji. Pracuje on z napięciem wejściowym do 15 V. Jego sprawność sięga 90% przy prądzie obciążenia 100 µA.

Frederik Dostal
Analog Devices
Arrow Electronics Poland
www.arroweurope.com