Vítejte, dnes je
úterý
03.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Nové technologie v oblasti nízkopříkonové elektroniky umožňují instalaci bateriově napájených snímačů a jiných zařízení i v místech, kde není k dispozici rozvodná síť. V ideálním případě, pro dosažení úplné nezávislosti na rozvodné síti, jsou baterie automaticky nabíjeny pomocí zdrojů obnovitelné energie dostupné v místě instalace, nejčastěji však solární energií. Tato aplikační poznámka přibližuje možnost návrhu kompaktní nabíječky, která pracuje i při dvou malých solárních článcích. Specialitou návrhu je pak použití DC/DC převodníku s technologií řízení bodu maximálního výkonu umožňujícího dosažení plného výkonu ze solárních článků.
Přestože jsou solární články nebo solární panely schopny dodat i poměrně velký výkon, rozhodně se nejedná o konstantní zdroj proudu. Jeho výstupní výkon je silně závislý nejen na aktuální intenzitě osvětlení, ale také teplotě a samozřejmě proudu odebíraném z panelu. Na obr. 1 je pro ilustraci uvedena V-A charakteristika 2 článků solárního panelu při konstantním osvětlení. Průběh V-A charakteristiky je relativně konstantní od zkratu (úplně vlevo) až po proud cca 550 mA, při kterém dochází k rychlé změně a solární články dosahují svého maximálního napětí (zcela vpravo). Je tedy vidět, že maximálního výkonu lze z uvedených solárních článků dosáhnout při cca 750 mV / 530 mA, tedy v koleni dané V-A charakteristiky. Pokud výstupní proud dále stoupá až za energetický vrchol, začne výkonová křivka klesat rychle k nule (zcela vlevo). Podobně je na tom však i opačná situace, kdy příliš malé zatížení tlačí výstupní výkon k nule (opět zcela vpravo), což však v praxi bývá přeci jen menším problémem.
Obr. 1 Průběh výstupního napětí, proudu a výkonu
Samozřejmě je výstupní výkon solárního panelu ovlivněn rovněž intenzitou osvětlení – méně světla znamená nižší výkon a naopak více světla znamená větší výkon. Ačkoli intenzita osvětlení přímo ovlivňuje hodnotu špičkového výkonu, nemá velký vliv na polohu výkonového vrcholu a napětí. To znamená, že bez ohledu na intenzitu osvětlení, zůstává výstupní napětí panelu, při kterém je schopen dodat maximální výkon, relativně konstantní. Logicky je tedy výhodné zajistit provoz, při kterém je výstupní proud takový, aby napětí solárního panelu zůstalo na nebo nad hodnotou maximálního výkonu, v našem případě 750 mV. Pokud tak učiníme, máme zdroj pracující v režimu MPPC (Maximum Power Point Control).
Na obr. 2 je uveden vliv intenzity slunečního světla na nabíjecí proud s řízením bodu maximálního výkonu a také bez něj. Simulovaná intenzita sluneční světla se pohybovala v rozmezí od 100 % po přibližně 20 % a poté opět stoupla na plných 100 %. Všimněte si, že pokud intenzita osvětlení klesla o 20 %, spadlo výstupní napětí i proud panelu, ale obvod LTC3105 a jeho kontrola bodu maximálního výkonu zabránil pádu výstupního napětí pod nastavenou hodnotu 750 mV. Dosaženo toho bylo tím, že LTC3105 omezil výstupní nabíjecí proud, aby zabránil pádu napětí solárního panelu až téměř na nulovou hodnotu, jak je vidět v pravé části obr. 2. Bez řízení bodu maximálního výkonu může i malý pokles intenzity slunečního světla zcela zastavit nabíjení připojené baterie.
Obr. 2 Vliv změny intenzity slunečního světla na nabíjecí proud
Obvody LTC3105 jsou synchronní step-up DC/DC konvertory určené především pro řízení výkonu z vnějších zdrojů energie, jako jsou solární články s nízkým napětím a termoelektrické generátory. LTC3105 využívají technologii MPPC pro zajištění maximální dostupné energie ze zdroje. Dosahuje toho tím, že aktivně snižuje výstupní proud tak, aby zabránil pádu napětí solárních článků k nule voltů.
Obvody LTC3105 jsou přitom schopny startovat i při velmi nízkém vstupním napětí, již od 250 mV, díky čemuž mohou pracovat dokonce od jediného solárního článku až po sériové zapojení devíti nebo deseti článků.
Výstupní odpojovač eliminuje izolační dioda, která je součástí většiny solárních DC/DC měničů a umožňuje kolísání vstupního napětí pod a nad úroveň hodnoty výstupního napětí. Až 400mA spínací proud se během startu postupně snižuje tak, aby umožnil provoz i ze zdrojů s relativně vysokým výstupním odporem, ale zároveň poskytl dostatečný výkon pro většinu energeticky nenáročných aplikací ve chvíli, kdy je solární měnič v normálním provozu. Rovněž je k dispozici 6mA nastavitelný LDO lineární regulátor s open-drain Power Good výstupem, vstupem povolení a Burst Mode® provozem za účelem zlepšení účinnosti aplikací s velmi malým příkonem.
Na obr. 3 je příklad zapojení kompaktní solární nabíječky s obvodem LTC3105 ve funkci zvyšujícího měniče a obvodem LTC4071 jako spínaného nabíjecího obvodu baterií typu Li-Ion. Dvoučlánkový 400mW solární panel poskytuje energii obvodu LTC3105, který na svém výstupu při plné intenzitě osvětlení zajišťuje proud i více než 60 mA. Kontrola bodu maximálního výkonu zabraňuje pádu napětí solárního panelu pod 750 mV, jak je znázorněno na obr. 1. Převodník je konfigurován pro výstupní napětí 4,35 V, tedy těsně nad požadovaných 4,2 V pro nabíjení Li-Ion baterie. Nabíjecí obvod LTC4071 omezuje napětí na baterii až do 4,2 V. Uzemnění pinu FBLDO aktivuje integrovaný LDO regulátor s výstupním napětím 2,2 V, který napájí „nabíjecí“ LED. Tato LED svým svitem indikuje probíhající nabíjení a zhasne při dosažení cílového napětí baterie s tolerancí 40 mV, čímž indikuje dosažení plné kapacity. Termistor NTC hlídá teplotu baterie a snižuje napětí výstupu LTC4071 při vysokých teplotách a nebezpečí poškození baterie. Pro zabránění poškození baterie při vybíjení je vhodné obvod ještě doplnit o indikaci nízkého napětí a odpojení baterie od zátěže v okamžiku, kdy její napětí klesne pod úroveň 2,7 V.
Obr. 3 2článková solární nabíječka Li-Ion baterií
Ačkoli uvedený obvod poskytuje pouze několik set mW výkonu, může velmi dobře sloužit k nabíjení a udržování kapacity i 400mAh Li-Ion za většiny povětrnostních podmínek. Podpora nízkého vstupního napětí, v kombinaci s řízením bodu maximálního výkonu, tvoří z LTC3105 ideální obvody pro nízkoenergetické aplikace se solárním pohonem. Dále obvod LTC4071 doplňuje LTC3105 v poskytování přesného napětí pro nabíjení baterie, indikaci stavu nabití i bezpečnostní funkci hlídání teploty zajišťující dlouhou životnost napájecí baterie provozované ve venkovním prostředí.
