Superkondensatory w systemach komunikacji bezprzewodowej

Rodzaje scalonych ładowarek

Rys. 8. Prądowe i napięciowe charakterystyki w funkcji czasu sygnałów emitowanych przez moduł BLE

Jałowe napięcie panelu fotowoltaicznego zależy od liczby szeregowych sekcji PV, a od liczby równoległych sekcji wydajność prądowa. Jeśli napięcie panelu fotowoltaicznego przewyższa napięcie obciążenia jedynie przy małym poborze prądu, ładowarka musi działać w trybie podwyższająco-obniżającym. Przy zwiększonej liczbie równoległych sekcji można zastosować prostsze, jedynie podwyższające rozwiązanie.

Przykładem może być tutaj bateria fotowoltaiczna KXOB22-4X3L składająca się z trzech ogniw połączonych szeregowo. Napięcie jałowe tej baterii osiąga wielkość około 1,2 V w pomieszczeniach wewnętrznych i około 1,8 V w słońcu na zewnątrz. W obu środowiskach wymagany jest więc konwerter podwyższający.

Do testów dla rozwiązania z oświetleniem wewnętrznym wybrano układ AEM10940, a do rozwiązania z oświetleniem zewnętrznym ładowarkę LTC3105. Tabela 1 zawiera kryteria charakterystyczne dla tych układów i może być punktem odniesienia do wyboru innych układów i porównań.

Właściwości układu dla oświetlenia wewnętrznego

Rys. 9. Schemat układu ładowania z AEM10940

Do testów użyto małego panelu fotowoltaicznego przy słabym oświetleniu wewnętrznym 100 lx, z superkondensatorem GA109 (180 mF/40 mΩ) firmy CAP-XX i modułem BLE, co sekundę informujący o temperaturze, wilgotności względnej i poziomie oświetlenia. Napięcie zasilania modułu wynosi 2-3 V, użyty więc został pojedynczy superkondensator, o napięciu pracy 2,5 V.

Rysunek 8 przedstawia przebiegi napięcia i prądu czujnika w funkcji czasu w trakcie zbierania i transmisji danych. Szczytowe natężenie prądu w impulsach 1 ms wynosi około 22 mA, w dłuższych impulsach 12 ms 4,5 mA, a w końcowych 5 mA.

Rys. 10. Charakterystyka ładowania superkondensatora GA109 pod oświetleniem 100 lx w funkcji czasu

Zgodnie z rysunkiem 5 natężenia te są znacznie wyższe od 260 μA prądu panelu fotowoltaicznego pracującego w punkcie mocy maksymalnej. Napięcie USC na kondensatorze po 1 ms impulsu 22 mA obniża się o 1 mV. Napięcie USC na kondensatorze po 12 ms impulsu 4,5 mA, zakończonego impulsem 5 mA, obniża się o 6 mV. Spadek ten jest pomijalnie mały co pozwala na wielokrotną transmisję.

Na rysunku 9 pokazano schemat czujnika, w którym zasilana przez pięć potrójnych sekcji ogniw fotowoltaicznych KXOB22-4X3L ładowarka na układzie AM10940 ładuje superkondensator GA109. Gdy napięcie superkondensatora osiąga 2,4 V, zostaje włączony MOSFET M1, który uruchamia moduł BLE. Pośredniczy w tym sterujący komparator U1 z histerezą.

Gdy superkondensator rozładuje się do 2,2 V, M1 zostaje zablokowany, wyłączając moduł na czas doładowania superkondensatora, po czym moduł BLE zostaje reinicjowany. Inicjalizacja wymaga prądu 12 mA i trwa 2,1 s. W tym czasie napięcie superkondensatora GA109 spada o 117 mV.

Rys. 11. Charakterystyk ładowania superkondensatora GA109 pod oświetleniem 650 lx w funkcji czasu

Histereza 200-miliwoltowa umożliwia GA109 inicjalizację modułu oraz wysłanie przez niego kilku impulsów transmisji.

Pod oświetleniem 100 lx skuteczność ładowania GA109 i podtrzymywania następnie transmisji jest przedstawiona na rysunku 10. 100 luksów jest oświetleniem słabym, utrudniającym czytanie, ale dostarczającym panelowi fotowoltaicznemu mocy, wystarczającej do zasilania czujnika.

Rysunek 10 dokumentuje, że pod tak słabym oświetleniem ładowanie superkondensatora od 0 V do wysłania pierwszego sygnału trwa około 45 godzin, a ponowne ładowanie do wysyłania kolejnych zabiera już tylko ok. 2,6 h. Wykres na rysunku 11 pokazuje skuteczność działania czujnika w dobrze oświetlonym biurze (650 lx), gdy moc PV przekracza 0,4 mW, pierwsze ładowanie trwa tylko 32 min, a transmisje są ponawiane co ok. 2 min. Inicjalizacja wraz z wysłaniem impulsu zabiera 2,9 s.

Rys. 12. Przebieg prądu upływu podwójnego superkondensatora 50 F w czasie

Testy te wykazują, że niewielki panel fotowoltaiczny jest zdolny do skutecznego ładowania superkondensatora zasilającego czujnik małej mocy, który gromadzi i wysyła dane. Ładowarka AM10940 może ładować superkondensator mocą jedynie 150 μW przy słabym oświetleniu, a sprawniej mocą 400 μW przy silnym słonecznym. Mały superkondensator GA109 o niskiej ESR ma pojemność dostateczną dla potrzeb takich czujników.

Zasilanie panelami fotowoltaicznymi, gdy oświetlenie nie jest dostępne ciągle wymaga użycia supekondensatorów o większej pojemności. Do testowania takiego przypadku użyto tego samego panelu fotowoltaicznego, jak poprzednio, jednak pod oświetleniem słonecznym, co umożliwia wysyłanie co pół godziny SMS-ów z 2-sekundową pracą modułu GSM. Sygnał radiowy jest nadawany impulsami 1,1 ms, przy poborze prądu 2 A w 25-procentowym cyklu roboczym. Zakres napięć na kondensatorze wynosi 3,8-3,0 V, czas podtrzymania działania w ciemności to 12 h.

Rys. 13. Test upływu podwójnego superkondensatora 50 F z aktywnym układem balansera w funkcji czasu

Charakterystyki na rys. 4 wykazują, że użyty panel fotowoltaiczny pod oświetleniem słonecznym 83 000 lx dostarcza 62 mW maksymalnej mocy, przy 1,26 V i 49 mA. Ładowarka z LTC3105 o sprawności ~80% dostarcza zatem superkondensatorowi prądu ładowania o natężeniu 13 mA, a średni prąd obciążenia w tej aplikacji wynosi 0,56 mA.

Oznacza to, że w ciągu dnia czujnik jest samowystarczalny, pobierając prąd o średnim natężeniu mniejszym od średniego natężenia prądu ładowania superkondensatora. Nawet w dzień pochmurny prąd ten jest większy od 4 mA, co tę samowystarczalność potwierdza.

Wybierając superkondensator trzeba równocześnie brać pod uwagę jego pojemność, ESR i prąd upływu. Duży prąd obciążenia i napięcie 3,8 V skłaniają do wyboru dwóch pojemności w połączeniu szeregowym, dostarczających maksymalnego prądu 2 A, co pozwala czujnikowi działać bez oświetlenia przez 12 godzin. Pojemność kondensatora powinna więc być większa od:

Rys. 14. Charakterystyki ładowania podwójnego superkondensatora 50 F pod oświetleniem 83000 lx w funkcji czasu

Z zapasem i po uwzględnieniu ESR, konieczności użycia układu balansera można zatem użyć dwóch pojemności po 100 F (razem 50 F). Wykres na rysunku 13 obrazuje prąd upływu superkondensatora 50 F. Szeregowe połączenie dwóch kondensatorów wymaga użycia obwodu wyrównującego ich napięcia. Standardowo stosowany do tego celu dzielnik rezystorowy pobierałby szkodliwy w czasie braku oświetlenia pr ąd rozładowujący. Zastosowany obwód balansujący (IC2, rys. 16) pobiera tylko 3 μA i jest uwzględniony w przebiegach na rysunkach 13 i 14.

Częstym błędem przy ocenie upływu kondensatora jest zakładanie stałości natężenia prądu upływu lub stałej obciążającej rezystancji, która wynosiłaby w tym przypadku 3,8 V/130 μA=29,2 kΩ. Niemniej upływność jest procesem dyfuzyjnym, w którym jony migrują z porów elektrody węglowej. Dyfuzja jest proporcjonalna do pierwiastka z czasu, zależy też od temperatury.

Rys. 15. Przebieg ładowania superkondensatora 50 F od napięcia 0 V

Rysunek 14 przedstawia w funkcji czasu zarówno zmierzony prąd upływu dwóch superkondensatorów po 100 F, jak i jego obliczone przybliżenia. W razie, gdy upływność ma w aplikacji większe znaczenie, warto zmierzyć ją doświadczalnie. Poszczególne egzemplarze kondensatorów mogą się pod tym względem znacznie różnić.

W modelowym układzie zastosowano aktywny obwód wyrównywania napięć na szeregowo połączonych superkondensatorach, przy minimalnym prądzie upływu. Jest to wtórnik napięciowy, wymuszający napięcie pomiędzy kondensatorami, wyznaczone dzielnikiem R3/R5. Wzmacniacz operacyjny MAX4470 w układzie wtórnika pobiera 0,75 μA, dzielnik 3,8 V/2 MΩ=0,19 μA, razem 0,94 μA. Wraz z kompensowaną różnicą prądów upływu obu kondensatorów, układ wtórnika wyrównującego obciąża kondensator prądem kilku mikroamperów.

Rys. 16. Przebieg impulsów GPRS emitowanych przez czujnik dużej mocy

Wykres na rysunku 15 przedstawia przebieg ładowania superkondensatora pod oświetleniem słonecznym od 0 V. Panel fotowoltaiczny w trakcie zimnego rozruchu LTC3105 dostarcza superkondensatorowi ~13 mA. Natężenie tego prądu w momencie, gdy układ wszczyna działanie podwyższające wzrasta do 20 mA, a po osiągnięciu napięcia 3,8 V, spada do 13 mA. W słonecznym oświetleniu zajmuje to około 3,5 h.

Potem, jak to ilustruje rys. 16, co pół godziny moduł transmisyjny emituje 2-sekundowe impulsy GPRS (kolor niebieski). Wstawka (kolor zielony) szczegółowo pokazuje ciąg impulsowy GPRS, z 1,15 ms impulsami 2 A co 4,6 ms. Na rysunkach 16 i 17 dają się zaobserwować:

• bardzo słabo zaznaczone obniżenia napięcia USC, wywołane obciążającymi superkondensator impulsami prądu od moduły GSM (rys. 16, krzywa czerwona)
• zwiększony przez LTC3105 pobór prądu ładowania superkondensatora z panelu słonecznego po impulsach transmisji (rys. 16, krzywa zielona)
• spadek prądu Isol do zera, gdy superkondensator jest całkowicie naładowany i LTC3105 zostaje wyłączony (rys. 14, krzywa zielona). W miarę powolnego rozładowywania się superkondensatora przez pół godziny pomiędzy impulsami funkcja histeretyczna LTC3105 włącza ładowanie, które trwa aż do pełnego naładowania (rys. 16, krzywa czerwona).

Rysunek 17 pokazuje napięcie superkondensatora 50 F w ciągu 12-godzinnego działania w ciemności, podtrzymującego wysyłanie co pół godziny impulsów GPRS. Mierzone napięcie systematycznie maleje od początkowej wartości 3,8 V do końcowej 3 V, która jest nieco mniejsza od oczekiwanej dla ESR=30 mΩ.

Podsumowanie

Rys. 17. Przebieg rozładowywania superkondensatora 50 F przez impulsy GPRS w trakcie 12 godzin braku oświetlenia

Zademonstrowane testy pokazują, jak użyć superkondensator o dużej pojemności z małym panelem fotowoltaicznym do zasilania czujnika stosunkowo dużej mocy, nawet okresowo pozbawianego oświetlenia.

Przewaga zasilania superkondensatorowego takiego czujnika nad bateryjnym polega na fizycznym przechowywaniu ładunku, nieograniczonym czasie działania, małej ESR umożliwiającej dużą moc chwilową, oraz doskonałym właściwościom termicznym w środowisku zewnętrznym nawet w zimie.

Wyniki doświadczalne (rys. 17) sugerują potrzebę zidentyfikowania przyczyny strat większych od spodziewanych oraz ewentualnego zwiększenia pojemności superkondensatora.