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.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 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.

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.

Выбор управляющего напряжения точки максимальной мощности

Рисунок 4 иллюстрирует модель механизма управления точкой максимальной мощности, используемого в микросхеме LTC3105. Аббревиатура MPPC означает «Maximum Power Point Controller» – название одного из функциональных узлов микросхемы LTC3105, управляющего положением рабочей точки на кривой мощности, а также, название соответствующего вывода микросхемы, к которому подключается программирующий резистор. На Рисунке 3 изображена кривая максимальной мощности фотоэлектрической ячейки. Обратите внимание, что спад кривой после пика выглядит намного круче, чем область нарастания. Из этого следует, что при выборе рабочей точки лучше ошибиться в строну меньших напряжений, чем оказаться правее пика.

Рисунок 4.	Механизм контроля точки максимальной мощности.

При установке рабочей точки нельзя забывать о том, что внешние условия работы ФЯ меняются от яркого солнечного света до сумерек. В типичном случае, при изменении засветки, точка максимальной мощности смещается незначительно, что позволяет устанавливать единственную рабочую точку для широкого диапазона освещенностей. Даже если рабочая точка при максимальном уровне освещенности оказывается не точно на пике, снижение выходной мощности, по сравнению с идеальным случаем, обычно не превышает 5…10%.

Для показанной на Рисунке 5 кривой мощности выбор напряжения 0.4 В на выводе MPPC позволяет работать вблизи точки максимальной мощности при любой интенсивности освещения. Существующее смещение от пика порядка 20 мВ не приводит к существенным потерям мощности, которые составляют менее 3%.

Рисунок 5.	Чтобы избежать резкого падения мощности при снижении уровня освещенности, выбирайте рабочую точку максимальной мощности на восходящей части кривой.

Опыт показывает, что управляющее напряжение точки максимальной мощности должно выбираться равным примерно 75…80% от напряжения холостого хода ФЯ. При этом выходной ток ФЯ составит 75…80% от тока короткого замыкания.

Зарядка Li-Ion аккумуляторов от естественного света

Приложения, питающиеся от фотогальванических источников, в темноте или при слабой освещенности испытывают нехватку энергии. В большинстве случаев проблема решается использованием накопителей энергии, таких как ионисторы или аккумуляторы, емкость которых рассчитывается исходя из наибольшего ожидаемого времени слабой освещенности.

Рисунок 6.	Схема зарядки Li-ion аккумулятора.

Рисунок 7 демонстрирует измеренный профиль зарядного тока, поступающего из поликристаллической ФЯ площадью 2” × 1” (50×25 мм) в Li-Ion аккумулятор при использовании схемы, изображенной на Рисунке 6. Верхняя кривая на Рисунке 7 соответствует ясному солнечному дню. Нижняя кривая снималась в течение дня, бóльшая часть которого была пасмурной. Но, даже в такой пасмурный день, средний ток 250 мкА обеспечил суммарный заряд аккумулятора 6 мА•ч.

Рисунок 7.	Профили заряда для фотоэлектрической ячейки площадью 2 квадратных дюйма.

Как правильно выбрать устройство для хранения энергии

Для хранения получаемой от ФЯ энергии можно использовать много альтернативных устройств, включая разнообразные аккумуляторы и конденсаторы с высокой плотностью энергии. Не один из накопителей не может быть оптимален для любого приложения. При выборе устройства хранения нужно принимать в расчет многие факторы, включая уровень саморазряда, максимальные токи заряда и разряда, чувствительность к напряжению и срок службы.

Уровень саморазряда имеет исключительное значение в фотогальванических приложениях. При ограниченной в большинстве случаев величине зарядного тока, саморазряд может потреблять весьма существенную часть тока, поступающего от ФЯ. Некоторые используемые для накопления энергии элементы, такие, например, как ионисторы, могут иметь ток саморазряда, превышающий 100 мкА, что может значительно уменьшить количество энергии, накопленной в течение дневного цикла.

Другим ключевым параметром устройства хранения энергии является ток, которым его можно заряжать. К примеру, максимально допустимый ток заряда плоского дискового литиевого аккумулятора равен 300 мкА. Такое ограничение вынуждает для предотвращения перегрузки по току устанавливать между выходом LTC3105 и аккумулятором резистор с большим сопротивлением, что, очевидным образом, ограничивает количество извлекаемой энергии, уменьшая количество энергии, доступной приложению.

Во многих случаях величина зарядного и разрядного токов напрямую определяет срок службы устройства хранения энергии, т.е. времени, в течение которого оно способно функционировать в полевых условиях без обслуживания. Как правило, с увеличением токов заряда и разряда срок службы сокращается. Ионисторы являются устройствами с очень большим допустимым количеством циклов перезаряда, в то время как аккумуляторы, заряжаемые относительно большим током (> 1C), деградируют достаточно быстро. Помимо токов, на срок службы влияет глубина заряда и разряда. Чем она больше, тем меньше время жизни устройства хранения.

Для некоторых типов аккумуляторов, в особенности, литиевых и тонкопленочных, требуется точный контроль максимального и минимального напряжений. Что касается максимального напряжения заряда, оно хорошо отслеживается микросхемой LTC3105, прекращающей заряд, как только начинается процесс регулирования напряжения на ее выходе. А для предотвращения чрезмерного разряда аккумулятора совместно c LTC3105 можно использовать микросхему шунтового регулятора заряда , как это показано на Рисунке 8.

Рисунок 8.	Капельный подзаряд Li-ion аккумулятора происходит от одной фотоэлектрической ячейки.

Рисунок 9.	Схема заряда NiMH аккумулятора от одиночной фотоэлектрической ячейки.

Рисунок 10.	Беспроводной удаленный датчик с питанием от одиночной фотоэлектрической ячейки.

Заключение

Микросхема LTC3105 – завершенное однокристальное решение для получения энергии от дешевых одиночных фотоэлектрических ячеек. Микросхема содержит схему контроля точки максимальной мощности и способна запускаться при низком напряжении, что гарантирует извлечение энергии из ячейки в оптимальном режиме. LTC3105 может использоваться как для непосредственного питания схем, так и в качестве источника напряжения зарядки аккумуляторов для поддержания работоспособности устройств в темноте или в условиях недостаточной освещенности. Микросхемы позволяют создавать полностью автономные удаленные датчики, узлы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к электрической сети и требующие минимального обслуживания.