Электродвигатель работает при токе солнечной батареи 10 нА

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2017

Stepan Novotill

EDN

В приложениях, работающих на солнечных батареях и бóльшую часть времени находящихся в неактивном состоянии, в качестве накопителей энергии часто бывает практичнее использовать конденсаторы вместо менее надежных аккумуляторов. Типичными примерами таких приложений могут служить устройства позиционирования солнечных модулей, передатчики телеметрической информации, дозировочные насосы для химических реагентов, регистраторы данных и игрушки на солнечных батареях.

От выхода фотогальванического элемента небольшого калькулятора схема на Рисунке 1 может почти в полной темноте питать небольшой мотор, подобный тем, что используются в пейджерах. Схема периодически заряжает конденсатор C₁ емкостью 4700 мкФ до напряжения 1.75 В, а затем разряжает его на электромотор. Уровень освещенности, при которой может работать эта схема, ограничивается только величиной тока утечки через p-n переход солнечного элемента. Токи утечки и переключения самой схемы настолько малы, что, при условии использования накопительного конденсатора с малыми утечками, она может вращать мотор при входном токе 10 нА. Транзисторы Q₁ и Q₂ образуют пару с регенеративным характером переключения, подобную тиристору. Диоды 1N4007, установленные вместо резисторов, шунтируют токи утечки транзисторов и светодиода.

Рисунок 1.	Периодически заряжая накопительный конденсатор и разряжая его на небольшой электромотор, эта схема может обеспечивать его вращение при входном токе всего 10 нА.

Когда напряжение на конденсаторе C₁ приближается к 1.75 В, зеленый светодиод начинает проводить ток и открывает транзистор Q₁, ток которого, в свою очередь, поступает в базу Q₂. Усиленный ток базы вызывает изменение напряжения на коллекторе Q₂. Падение напряжения между базой и эмиттером выходного транзистора Q₄ изолирует коллектор Q₂ от этого транзистора, а напряжение база-эмиттер Q₃ и конденсатор C₂ емкостью 10 нФ изолируют Q₂ от постоянного смещения на базе Q₂. Однако, имеющий наноамперный уровень скачок тока коллектора Q₂ через конденсатор C₂ передается на базу транзистора Q₁, инициируя процесс регенеративного переключения. Наноамперные уровни переключения схемы и заряда конденсатора C₁ здесь достигаются благодаря использованию вместо подтягивающих резисторов диодов с низкими утечками, а также благодаря тому, что в начале регенеративного процесса нагрузка изолируется от остальной схемы, а постоянное смещение базы Q₁ изолируется от коллектора Q₂. По мере развития процесса регенерации транзистор Q₃ образует путь для протекания постоянного тока между базой транзистора Q₁ и коллектором Q₂. На этом этапе выходной транзистор Q₄ также входит в насыщение и включается мотор.

Большой ток мотора быстро разряжает конденсатор C₁ до напряжения 1.1 В, при котором Q₁ больше не может поддерживать регенеративный процесс из-за потери напряжения на переходах коллектор-эмиттер транзисторов Q₁ и Q₃. Резистор сопротивлением 100 Ом и обратный заряд конденсатора C₂ переводят транзистор Q₁ в состояние отсечки, и начинается следующий цикл заряда накопительного конденсатора. Для увеличения напряжения переключения схемы замените зеленый светодиод синим, или последовательно со светодиодом включите обычный диод. Если вы не планируете использовать схему при входных токах менее 1 мкА, для улучшения помехоустойчивости диоды 1N4007 можно заменить резисторами 10 МОм. У долго хранящихся конденсаторов увеличивается ток утечки. Такие конденсаторы, возможно, вам придется отформовать, подключив их на несколько дней к 9-вольтовой батарее. Для того чтобы схема заработала при очень слабом освещении, используйте две солнечные панели, соединенные последовательно.

Материалы по теме