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.
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.
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.
Рисунок 2. |
Типичная вольтамперная характеристика |
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.
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