Aby bylo možné zjednodušit nasazení bezdrátových komunikačních systémů, určených například pro přístrojovou techniku, monitorování či řídicí aplikace, budou vývojáři, pracující na napájecích zdrojích, vyhledávat prostředky, které umožní činnost nezávisle na napájecí síti. Baterie, které se nám okamžitě vybaví na pozici zcela jasného kandidáta, sice podporují představu o síťové nezávislosti, při které však vyžadují pravidelnou výměnu nebo alespoň dobíjení, což zase znamená výsledný kontakt s rozvodnou sítí a k tomu ještě zásah technika, který určitě nebude zdarma, o údržbě ani nemluvě. A tak se opět dostáváme ke sběru energie z okolního, resp. nejbližšího prostředí konkrétních přístrojů (Energy Harvesting, což v sobě rovněž nese myšlenku sklizně úrody nebo rovnou celých „žní“), kdy využíváme předpokladů k trvalému provozu a to bez jakéhokoli spojení s napájecími rozvody a zcela minimálními nebo dokonce žádnými požadavky na průběžnou údržbu.
Takový sběr přitom může během dodávky potřebného elektrického výkonu využívat hned několik okolních zdrojů energie, mezi které řadíme mechanické vibrace, teplotní rozdíl nebo dopadající světlo. Společnost Linear Technology v této věci nabízí odpovídající integrované obvody pro řízení napájení (Power Management), které se specializují na „těžbu“ z okolních zdrojů s nízkou energetickou úrovní – řadíme mezi ně struktury
-
LTC3588, vyhrazené zdrojům chvění, - LTC3108 / LTC3109 pro teplotu a nyní také
- LTC3105, se kterými se můžeme věnovat fotovoltaice.
Fotovoltaické řešení sběru energie je široce dostupné – světlo lze využívat prakticky na celém světě, fotovoltaické články (Photovoltaic, viz také zkratku PV) budou docela levné a ještě k tomu nabídnou relativně vysoké výkony, porovnáme – li je s tím, co dostáváme z jiných vnějších zdrojů. Protože se skutečně jedná o výstupy s poměrně vysokými energetickými úrovněmi, lze takto „živit“ celé uzly s bezdrátovými čidly, stejně jako provozovat aplikace s vyššími výkony a souvisejícím nabíjením baterií, kdy tímto způsobem prodlužujeme jejich životnost, přičemž v některých případech zcela vylučujeme jakékoli dodatečné dobíjení.
Zatímco „vysokonapěťové“ struktury sériově spojených fotovoltaických článků často vítězí (prolific, pokud se vrátíme k původní analogii tak „bohatě plodící“), budou řešení s jediným PV článkem docela vzácná, což odpovídá celkem náročné výrobě použitelného napájení z relativně nízkého napětí, dodávaného jediným fotovoltaickým článkem, který navíc ještě zatížíme. Jen málo zvyšujících měničů (Boost Converter) přitom může zajistit odpovídající výstupy z jediného PV článku s malým napětím a poměrně vysokou impedancí.
Integrovaný obvod LTC3105 byl však navržen tak, aby zmíněné potíže s přehledem vyřešil. Jeho mimořádně nízké spouštěcí napětí (start-up voltage) o velikosti 250 mV spolu s řízením bodu maximálního výkonu (Maximum Power Point; nastavitelně) umožňuje generovat obvyklé napájecí hladiny (1,8 V až 5 V), vyžadované většinou aplikací ve spojení s jinak náročnými PV zdroji.
S obvodem LTC3105 elegantně vyřešíme potřeby nezávislých uzlů dálkových čidel, systémů sběru dat i jiných aplikací, vyžadujících nezávislost na rozvodné síti a také naprosto minimální údržbu.
Zdroje s fotovoltaickými články – o co se vlastně jedná?
Fotovoltaické zdroje lze elektricky namodelovat proudovým zdrojem, paralelně připojeným k diodě, přesně jak to vidíme na obr. 1. Složitější modely pak sice zachycují některé druhotné vlivy, ale pro naše účely vystačíme s původním náhledem.
Obr. 1: Jednoduchý model fotovoltaického článku
Dvěma parametry, které obvykle popisují konkrétní fotovoltaický článek, jsou
- napětí naprázdno (open circuit voltage) a
- proud nakrátko (short-circuit current).
Typické průběhy napětí a proudu PV článku vidíme na obr. 2. Stojí za zmínku, že proudem nakrátko zde myslíme výstup proudového generátoru z našeho modelu, zatímco napětí naprázdno odpovídá propustnému napětí související diody. S rostoucí úrovní osvětlení se zvyšuje i proud, dodávaný z našeho generátoru, a A-V charakteristika „poroste“ nahoru.
Obr. 2: Typická A – V (v angl. IV) závislost fotovoltaického článku
Abychom dosáhli maximálního výkonu PV článku, budeme muset přizpůsobit vstupní odpor výkonového měniče výstupnímu odporu článku a zajistit tak provoz na bodu maximálního výkonu. Na obr. 3 vidíme výkonovou křivku typického, jednoduchého fotovoltaického článku. Pro zajištění maximálního výkonu by mělo být výstupní napětí PV článku voleno a provozováno s ohledem na špičku této výkonové křivky. Abychom mohli udržet napětí fotovoltaického článku na úrovni, definované řídicím pinem bodu maximálního výkonu, přizpůsobuje struktura LTC3105 velikost výstupního proudu, dodávaného do zátěže. Jediným nastavovacím rezistorem tudíž definujeme bod maximálního výkonu a zajišťujeme nejvyšší možný energetický zisk PV článku, resp. špičkový nabíjecí proud výstupu.
Obr. 3: Typická výkonová křivka fotovoltaického článku
„Jak moc výkonu“ tedy máme k dispozici?
Množství výkonu, generovaného za přispění fotovoltaického článku, závisí na několika faktorech. Výstupní výkon daného článku bude úměrný intenzitě světla, dopadajícího na panel, celkové ploše článku a také jeho účinnosti. U většiny PV článků předpokládáme jejich nasazení na plném, přímo dopadajícím slunečním svitu (1000 W/m2), ale s takovými ideálními podmínkami se ve většině aplikací pravděpodobně nesetkáme. Ze dne na den se tak v případě zařízení, provozovaných ze slunečního zdroje, může dostupný špičkový výkon rychle změnit, a to i desetinásobně. Může za to počasí, roční období, vzdušný opar, prach a také úhel, pod kterým sluneční svit necháme dopadat. Typický výstupní výkon takového krystalického článku, provozovaného na plném slunci, je něco okolo 40 mW na čtvereční palec, pochopitelně v závislosti na charakteristikách konkrétního panelu. Fotovoltaický článek o velikosti několika čtverečních palců pak postačí k napájení celé řady dálkových čidel, resp. k dobíjení baterie.
Naproti tomu zařízení, „živená“ z umělého osvětlení, budou mít k dispozici daleko méně potřebné energie. V souvislosti s běžným vnitřním osvětlením hovoříme zhruba o 0,25 % ve srovnání s plným slunečním svitem (obrovský rozdíl v intenzitě mezi vnitřním a venkovním světlem vnímáme docela obtížně – je to způsobeno schopností lidského oka přizpůsobit se širokému rozsahu úrovní osvětlení). Nic to však nemění na skutečnosti, že takové drastické snížení úrovní, dostupných v pokojových podmínkách, bude znamenat určité potíže. Dokonce i velký krystalický článek s vysokou účinností a plochou čtyř čtverečních palců generuje v rámci běžného kancelářského osvětlení pouhých 860 μW.
- LTC3105: Solární žně v praxi (2. část) – dokončení, bude vydáno ve čtvrtek 28. 4. 2011
Tento obvod, včetně dalších prověřených produktů od Linear Technology, naleznete v nabídce mezinárodního distributora, společnosti SOS electronic. Další informace získáte z přehledu integrovaných obvodů společnosti Linear Technology, nabízených SOS electronic.
Distributor:
SOS electronic s.r.o., Hybešova 42, Brno, 602 00
- tel.: +420 543 427 111, fax. +420 543 427 110
- www.soselectronic.cz
- info@ soselectronic.cz (kontakt zveřejněn v neklikatelné podobě a s mezerou za zavináčem)
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Linear Technology: http://www.linear.com/
