LinTai: качественные китайские корпуса и каркасы
РадиоЛоцман - Все об электронике

Получение энергии от одиночного фотоэлектрического элемента. Часть 1

Linear Technology LTC3105

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2011

Nathan Bourgoine, Linear Technology

В целях упрощения структуры систем радиосвязи для измерительных, контрольных и управляющих приложений, разработчики стремятся использовать источники питания, независимые от электрических сетей. Аккумуляторы – самое очевидное решение, но они лишь создают иллюзию независимости, так как требуют подзарядки или замены, то есть, периодического подключения к сети и дорогостоящего вмешательства человека для технического обслуживания. Гораздо удобнее, когда энергия собирается в непосредственной близости от оборудования, обеспечивая вечную работу без подключения к электрической сети и с минимальным участием человека.

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Мы окружены множеством источников энергии, из которых возможно получение электричества. Это может быть, в частности, механическая вибрация, разность температур и падающий свет. Linear Technology выпускает микросхемы, помогающие решить проблемы преобразования энергии. Это LTC3588 для работы с источниками вибрации, LTC3108/LTC3109 для получения энергии из температурных градиентов и, новая разработка, – микросхема LTC3105 для получения энергии от фотоэлектрических источников. Фотогальванические преобразователи нашли широчайшее применение благодаря своей универсальной доступности, относительной дешевизне и большей мощности, в сравнении с иными способами использования окружающей энергии. Относительно высокая энергетическая отдача фотоэлектрических элементов дает возможность использовать их для питания беспроводных датчиков, для подзарядки аккумуляторов, а в ряде случаев, позволяет и вовсе отказаться от использования батарей.

В то время как батареи соединенных последовательно фотоэлектрических элементов находят самое широкое применение, решения на основе одиночной ячейки крайне редки из-за трудностей, связанных с поддержанием на шине питания стабильного напряжения при очень низком напряжении, создаваемым ячейкой под нагрузкой. Выпускается всего несколько повышающих преобразователей, способных работать при низком напряжении и относительно высоком импедансе одиночных элементов. LTC3105, однако, разработана специально для того, чтобы справиться с этими проблемами. Ее сверхнизкое напряжение запуска, равное 250 мВ, и программируемая точка максимальной мощности позволяют организовывать шины питания с напряжением 1.8…5 В, достаточным для большинства приложений, использующих энергию фотогальванических преобразователей.

Принцип работы фотогальванической ячейки

Фотоэлектрическая ячейка (ФЯ), в первом приближении, может быть представлена эквивалентной схемой из источника тока и диода, соединенных параллельно (Рисунок 1). Более сложные модели, учитывающие вторичные эффекты, для наших целей сейчас не нужны.

Упрощенная модель фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 1. Упрощенная модель фотоэлектрической ячейки.

Два главных параметра, характеризующих ФЯ – напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Типичная вольтамперная характеристика ФЯ показана на Рисунке 2. Заметим, что в терминах изображенной на Рисунке 1 модели, «ток короткого замыкания» – это ток генератора тока, а «напряжение холостого хода» – прямое падение напряжения на диоде.

Типичная вольтамперная характеристика фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 2.

Типичная вольтамперная характеристика
фотоэлектрической ячейки.

Для получения наибольшей отдачи от ФЯ входное сопротивление конвертера должно быть согласовано с выходным сопротивлением ячейки, чем обеспечивается работа в точке максимальной мощности. На Рисунке 3 изображена кривая мощности типичной ФЯ. Для гарантированного извлечения из ячейки максимальной энергии рабочая точка должна находиться на пике этой кривой. LTC3105 подстраивает выходной ток, поставляемый в нагрузку, чтобы поддерживать напряжение ФЯ на уровне, установленном на выводе управления точкой максимальной мощности. Таким образом, с помощью единственного программирующего резистора, устанавливается точка максимальной мощности, и гарантируется извлечение из ФЯ максимальной энергии и, соответственно, поступление максимального пикового зарядного тока в аккумулятор.

Типичная кривая мощности фотоэлектрической ячейки 
Рисунок 3. Типичная кривая мощности фотоэлектрической ячейки.

Какую мощность можно получить?

Уровень мощности, генерируемой ФЯ, зависит от нескольких факторов. Выходная мощность пропорциональна уровню освещенности, общей площади и эффективности ячейки. Параметры большинства ФЯ приводятся для условий максимальной солнечной засветки (1000 Вт/м2), но встретиться с такими идеальными условиями в реальных приложениях вряд ли удастся. Для устройств работающих от солнечного света пиковая мощность, получаемая от ФЯ, в разные дни может различаться на порядок и более, в зависимости от погоды, времени года, тумана, пыли и угла падения солнечных лучей. Типичная выходная мощность кристаллической ФЯ при солнечном свете равна 40 Вт на квадратный дюйм, и зависит от характеристик ячейки. Ячейка площадью в несколько квадратных дюймов вполне может служит источником для питания удаленных датчиков или для капельного подзаряда аккумуляторов.

В отличие от этого, устройства, работающие от внутреннего освещения, получают энергии несоизмеримо меньше. Общий уровень внутреннего освещения составляет примерно 0.25% от солнечного. Это утверждение мы воспринимаем с совершенно естественным недоверием, но все очень просто объясняется способностью человеческого глаза приспосабливаться к широкому диапазону освещенностей. Столь низкие уровни комнатного освещения создают большие проблемы для разработчиков. Даже с помощью высокоэффективной кристаллической ФЯ площадью 4 квадратных дюйма можно получить энергии не более 860 мкВт.

Окончание читайте здесь

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Harvest Energy from a Single Photovoltaic Cell. Part 1

28 предложений от 18 поставщиков
400mA Step-Up DC-DC Converter with Maximum Power Point Control and 250mV Start-Up_x0000__x0000_
AliExpress
Весь мир
QFN LTC3105EDD # PBF LTC3547BEDDB # TRPBF LTC3850EUF # TRPBF LTC3105EDD LTC3547BEDDB ltc3850lteuf C3105 LTC3547 LTC3850
249 ₽
ЧипСити
Россия
LTC3105EDD#TRPBF
Linear Technology
294 ₽
Acme Chip
Весь мир
LTC3105EMS#TRPBF
Analog Devices
по запросу
Vess Electronics
Весь мир
LTC3105EMS#TRPBF
Analog Devices
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Нужная вещь