Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей
CAP-XX GA109
На портале Унитера мы уже знакомили наших читателей с ультратонкими суперконденсаторами от компании CAP-XX. Некоторые из опубликованных статей рассказывали о практических результатах использования этих компонентов в реальных схемах. В частности были рассмотрены преимущества их применения в качестве буферных элементов в мобильных устройствах с аккумуляторным питанием. В данной статье мы рассмотрим потенциал использования суперконденсаторов в системах с питанием от солнечных батарей.
 | |
| Рис. 1. | Сверхтонкие суперконденсаторы от CAP-XX. |
По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Например, сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX при минимальной толщине (от 0.6 мм) обладают удельной емкостью, приближающейся к аккумуляторам. С другой стороны, они способны обеспечивать высокие разрядные токи и отличаются малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с обычными конденсаторами. Благодаря перечисленным достоинствам, суперконденсаторы чаще всего применяются в качестве буферных элементов для обеспечения высоких пиковых токов в устройствах с импульсным потреблением.
Стоит отметить, что ярко выраженным импульсным характером потребления отличается большинство современных портативных устройств с аккумуляторным питанием (Рис. 2). Это значит, что электроника в таких системах находится в активном состоянии с высоким потреблением не постоянно, а периодически. Оставшееся время проходит в режиме сна, в котором питающий ток имеет минимальное значение.
 | |
| Рис. 2. | Импульсный характер потребления современных устройств. |
Если разница между пиковым и средним значением тока достаточно велика, то для продления жизни аккумуляторов рекомендуется использовать суперконденсаторы, о чем рассказывалось в одной из прошлых статей Унитеры. Примерами устройств с ярко выраженным импульсным потреблением являются светодиодные вспышки фотоаппаратов, устройства с GSM и GPRS приемопередатчиками, системы с картами памяти (PC и CF+). Например, приемопередатчик GPRS класса 10 в неактивном состоянии потребляет 100 мА, а во время передачи питающий ток возрастает до 2 А!
Смена батареек или заряд аккумуляторов в автономных устройствах является весьма затратным мероприятием. По этой причине все большее распространение получают системы питания с различными харвестерами энергии, в частности с использованием солнечных батарей. Однако из-за высоких значений импульсных токов в таких устройствах прямое использование маломощных солнечных батарей затруднено. Они могут легко обеспечить ток покоя, но не справляются с пиковыми нагрузками (Рис. 3). Впрочем, эту проблему можно решить с помощью суперконденсаторов.
 | |
| Рис. 3. | Солнечные батареи не подходят для прямого питания импульсной нагрузки. |
Суть решения заключается в том, что солнечная батарея постоянно подзаряжает буферный суперконденсатор (Рис. 4). Таким образом, энергия света не пропадает впустую, а накапливается, и при необходимости может быть передана в нагрузку. Суперконденсатор в данном случае подходит идеально, так как имеет минимальное значение последовательного сопротивления и способен обеспечить высокий импульсный ток.
 | |
| Рис. 4. | Использование суперконденсаторов для накопления солнечной энергии. |
Именно такой подход при построении системы питания использовали в своем макете Джулия Лим и Джин Марс (Рис. 5). Данное устройство представляет собой датчик Sensor Puck BLE с радиопередающим интерфейсом BLE, который питается от ультраконденсатора и солнечной батареи.
 | |
| Рис. 5. | Опытный макет для работы с Bluetooth-датчиком. |
Предложенная принципиальная схема имеет ряд особенностей (Рис. 6). Во-первых, для заряда ультраконденсатора от солнечной батареи используется дополнительный регулятор AEM10940. Он преобразует выходной ток солнечной батареи в зарядный ток ультраконденсатора и контролирует выходное напряжение на уровне 2.5 В. Во-вторых, контроль выходного напряжения производится с помощью триггера Шмитта, который построен на базе компаратора TLV3012. Компаратор управляет коммутацией нагрузки посредством транзистора BSP171P (M1). Благодаря этому звену обеспечивается гистерезис напряжения питания. Рассмотрим более подробно выбор компонентов.
 | |
| Рис. 6. | Схема тестового макета на базе суперконденсатора GA109 от CAP-XX. |
По замыслу разработчиков работа BLE-датчика должна обеспечиваться уже при силе света в 100 лк. Исходными данными к расчету являются параметры датчика. Используемый сенсор Sensor Puck BLE предназначен для измерения температуры, влажности, освещенности и передачи этих значений по Bluetooth на смартфон один раз в секунду. Допустимый диапазон напряжений питания для датчика составляет 2.0…3.0 В. Осциллограмма тока потребления (Рис. 7) имеет несколько пиков: два всплеска с током до 22 мА и длительностью около 1 мс, один импульс продолжительностью 120 мс и средним значением 4.5 мА, еще один импульс длительностью 1 мс и амплитудой 15 мА.
 | |
| Рис. 7. | Просадка напряжения при недостаточном уровне освещения. |
Для питания датчика выбран ультратонкий призматический суперконденсатор GA109 с номинальным напряжением 2.5 В, ESR 40 мА, емкостью 170 мФ и пиковым током до 30 А. С учетом этих значений можно определить просадку напряжения в течение периодов активности датчика.
Для импульсов 22 мА: ΔV (22 мА) = 22мА × 1мс / 170мФ + 22мА × 40мОм = 1мВ
Для импульсов 4.5 мА: ΔV (4.5 мА) = 4.5мА × 120мс / 170мФ + 4.5мА × 40мОм = 5мВ
Для импульсов 15 мА: ΔV (15 мА) = 15мА × 1мс / 170мФ + 15мА × 40мОм = 0.7мВ
Таким образом, суммарная просадка напряжения составит около 7.7 мВ за период. Эти расчеты подтверждаются осциллограммами, полученными в процессе тестирования (Рис. 7).
Для заряда ультраконденсатора применяется солнечная батарея с выходным током до 420 мкА. Если посчитать средний ток системы, то окажется, что он равен почти 600 мкА, что больше, чем способна обеспечить солнечная батарея при заданном уровне освещенности. В результате напряжение на конденсаторе постепенно снижается (Рис. 7). Чтобы не допустить критического разряда, используется триггер Шмитта, который отключает нагрузку при проседании напряжения. Однако при этом приходится учитывать начальный бросок тока при включении и инициализации датчика.
При включении BLE-датчика наблюдается бросок тока амплитудой 12 мА и длительностью 2.1 с. Не сложно посчитать, что просадка напряжения составит ΔV = 12мА × 2.1с / 170мФ + 12мА × 40мОм = 117мВ. Чтобы гарантировать не только начальную инициализацию сенсора, но и обеспечить передачу нескольких сообщений, гистерезис выбирается с запасом и составляет 200 мВ.
В рассматриваемой схеме триггер Шмитта включает транзистор M1, когда напряжение на суперконденсаторе достигнет 2.4 В. Если напряжение уменьшится до 2.2 В, то нагрузка будет отключена.
Такой подход позволяет использовать схему при разных уровнях освещенности, в том числе и при заданном значении в 100 лк (Рис. 8). Даже при таком скудном освещении заряд суперконденсатора с 0 В произойдет за 45 часов, после чего датчик сможет повторно перезаряжаться от 2.2 В до 2.4 В за 2.6 часов.
 | |
| Рис. 8. | Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 100 лк. |
В случае с типовыми помещениями следует ожидать более высокого уровня освещения. Например, для офисов, супермаркетов и квартир освещение составляет ориентировочно 650 лк. В таких условиях заряд суперконденсатора от 0 В произойдет за 31 минуту, а повторный перезаряд от 2.2 В до 2.4 В произойдет и вовсе за 2 минуты 5 секунд (Рис. 9).
 | |
| Рис. 9. | Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 650 лк. |
Представленное решение имеет очень высокий интерес для комнатных приложений и устройств с питанием от солнечных батарей, работающих в офисах, торговых залах и аналогичных помещениях. Благодаря суперконденсаторам удается обеспечить работу беспроводных устройств даже при малом выходном токе солнечных батарей и при минимальном уровне освещенности.
Источник
Солнечные батареи
Наряду с энергией ветра можно попытаться использовать и энергию Солнца.
Генерацию электричества под воздействием солнечного света (фотовольтаический (фотоэлектрический) эффект, англ. photovoltaic effect) впервые наблюдал в 1839 году Александр Эдмон Беккерель (фр. Alexandre-Edmond Becquerel):
Параметры солнечной батареи
Одна фотовольтаическая ячейка (англ. solar cell) вырабатывает в режиме холостого хода (англ. open-circuit voltage (OCV)) напряжение 0,55 В. Солнечная батарея составлена из таких последовательно и параллельно включенных ячеек.
внешняя характеристика (англ. I/V curve) солнечной панели
$V_
$I_
Точке максимальной мощности соответствует напряжение на одной ячейке около 0,45 В ($V_
Исследование моих солнечных батарей
Я приобрел на торговой площадке ebay три солнечные батареи:
Номинальные параметры: напряжение 5 В, мощность 1 Вт.
напряжение холостого хода
Нагруженная на резистор сопротивлением 100 Ом в солнечный сентябрьский день моя батарея выдает напряжение около 3,5 вольт при горизонтальном расположении батареи и 5 вольт при расположении панели перпендикулярно солнечным лучам. В пасмурный день напряжение составило около 0,3 вольта.
ток короткого замыкания
В начале апреля горизонтально расположенная батарея в течение солнечного дня с небольшой облачностью (5-6 часов) обеспечивает ток короткого замыкания 40 . 60 мА:
Зарядка аккумулятора от солнечной батареи
Для проверки возможности заряда аккумуляторов от солнечной батареи я подключил эту батарею через германиевый диод Д310 к полностью разряженному (напряжение холостого хода 1,1 вольта) никель-кадмиевому аккумулятору GP емкостью 1000 мАч и разместил на горизонтальной достаточно открытой поверхности:
После окончания заряда в течение двух солнечных июньских дней напряжение холостого хода составило 1,380 В. При подключении нагрузки в виде резистора сопротивлением 6,8 Ом напряжение составило 1,327 В и снизилось до уровня 1,1 В через 180 минут, а до уровня 0,9 В — через 195 минут непрерывного разряда (эффективная емкость аккумулятора составила при этом
500 мА·ч).
Таким образом, эксперимент по зарядке никель-кадмиевого аккумулятора можно признать успешным.
Зарядка ионистора от солнечной батареи
Также можно использовать солнечную батарею для заряда ионистора.
Ионистор (суперконденсатор, англ. supercapacitor) представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Ток утечки ионистора достаточно велик и обычно составляет 1 мкА на 1 Ф емкости. Также у ионистора заметно проявление эффекта диэлектрической абсорбции.
Я располагаю двумя ионисторами —
- ионистор 5R5D11F22H емкостью 0,22 Ф на напряжение 5,5 В
- ионистор емкостью 100 Ф на напряжение 2,7 В (приобретен на ebay)
Я использовал для эксперимента с солнечной батареей ионистор на 100 Ф.
Внутреннее устройство этого ионистора после его разборки:
1 — угольная прослойка
2 — металлическая пластина
Для ионистора важно не превышать предельно допустимое напряжение (в моем случае 2,7 В). Для ограничения напряжения я использовал шунтовой регулятор — параллельно подключенный к солнечной батарее «зеленый» светодиод (1). Опытным путём я установил, что падение напряжения 2,7 В на таком светодиоде соответствует току через светодиод, равному 50 мА (ток короткого замыкания солнечной батареи не должен превышать это значение для гарантии целости ионистора).
вольт-амперная характеристика «зеленого» светодиода
Для «красного» светодиода (2) при токе 50 мА падение напряжения составляет 1,94 В. Для «белого» светодиода (3) при токе 50 мА падение напряжения составляет 3,34 В (при 30 мА — 3,18 В).
Для предотвращения разряда ионистора я подключил его к солнечной батарее через эмиттерный p—n переход германиевого транзистора МП38 (падение напряжения на нем составляет 0,2 — 0,3 В), играющий роль блокирующего диода (англ. blocking diode).
Я расположил эту конструкцию на горизонтальной поверхности утром (в 10 35 ) довольно сумрачного февральского дня (ионисторы не слишком боятся низких температур, но при снижении температуры до — 30° C внутреннее сопротивление (ESR) ионистора возрастает в 2. 3 раза.). При этом ионистор был разряжен до напряжения 0,088 В. Через семь часов (к 17 35 ) напряжение на ионисторе достигло 1,45 В. Для изучения саморазряда я оставил ионистор подключенным к схеме на ночь в слабоосвещенном помещении. Через час напряжение на ионисторе упало до 1,23 В, через два часа — до 1,11 В.
Сначала я сделал на основе этой батареи вот такое герметичное зарядное устройство для аккумуляторов:
Затем я использовал эту солнечную батарею для питания акустического отпугивателя воробьев.
Продолжение следует
Источник