Харвестер электрической энергии

Значительный интерес к статье «Может ли ионистор заменить аккумулятор» ^[1] обусловил продвижение дальнейших исследований и наработок на тему автономных источников питания с применением контроллеров сбора и накопления энергии.

В конце статьи кратко отображена идея модернизации конструкции, участвовавшей в экспериментах, и приведён эскиз в карандаше.

Для новой конструкции была разработана печатная плата, дизайн которой проработан таким образом, чтобы на ней можно было построить несколько конфигураций, речь о которых пойдет в этой и следующих статьях. Для управления накопителем в конструкцию добавлен контроллер SPV1050.

Для более подробного анализа работы контроллера SPV1050 заказаны отладочные платы STEVAL-ISV019V1 и STEVAL-IDS002V1 от компании STMicroelectronics.
Разрабатываемый накопитель энергии состоит из солнечного элемента, контроллера сбора энергии и заряда аккумулятора SPV1050, ионистора или аккумулятора.

Конфигурации разрабатываемого накопителя энергии:
1. Фотоэлемент, контроллер, ионистор;

2. Фотоэлемент, контроллер, аккумулятор Ni-MH;

Габариты платы: 85 х 55 х 8(12) мм

Ионисторы Panasonic EECS5R5H105

Технические характеристики:

• Емкость: 1 F;
• Макс. рабочее напряжение: 5.5 V DC;
• диапазон рабочих температур: -25 – +70°C;
• Наработка при 70°C: 1000 часов.

Аккумуляторы Eneloop Pro

Для экспериментов были выбраны аккумуляторы типоразмера AAA Eneloop Pro в количестве 4 штук и емкостью 900 mA каждый. Выбор данной марки аккумуляторов обусловлен достаточно хорошими характеристиками: способностью работать на низких температурах до -20 °C с высокой токоотдачей, низким саморазрядом – 15% за год хранения и отсутствием эффекта памяти.

Технические характеристики:

• Тип, размер NiMh, AAA;
• Емкость типичная 950 мАч, минимальная 900 мАч;
• Количество циклов 500;
• Саморазряд 15% за год хранения;
• Напряжение 1.2 В;
• Время и ток быстрого заряда 1.1 часа, 950 мА;
• Вес 13 гр.;
• Размеры 10.5 х 44.5 мм;
• Страна производства Япония.

Коротко о контроллере SPV1050

SPV1050 — это новый контроллер для сбора энергии окружающей среды от STMicroelectronics. Высокоэффективный микропотребляющий сборщик энергии окружающей среды с зарядным устройством и двумя регуляторами напряжения в одном корпусе, упрощает конструкцию и расширяет возможности малогабаритных автономных устройств.
Контроллер производит сбор энергии света или тепла для питания малогабаритных электронных устройств, к которым можно отнести беспроводные сенсоры, промышленное оборудование, контроллеры и датчики умного дома, носимые устройства, создавая широкие возможности для мира интернета вещей.

Почему выбран именно этот контроллер?
По сравнению с аналогами, микросхема SPV1050 имеет больше функций, достаточно высокий КПД порядка 90% и малые габариты. Минимальное количество элементов обвязки позволяет уменьшить габариты и сэкономить на стоимости комплектующих. Два регулятора напряжения на 1.8 и 3.3 В позволяют питать микроконтроллеры и беспроводные приёмо-передатчики. Технология слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) непрерывно оптимизирует сбор энергии и при необходимости может быть отключена. Встроенный контроллер заряда поддерживает широкий диапазон типов аккумуляторов: Li-Ion, Li-Pol, LiCoO, NiMH и NiCd, а так же ионисторы. Стоимость микросхемы не высока и составляет 1 доллара при заказе от 1000 шт.

Технические характеристики:

• Диапазон входного напряжения от 75 мВ до 18 В;
• Ток заряда аккумулятора 70 мА;
• Интегрированный DCDC преобразователь;
• Программируемый: MPPT;
• Верхняя граница напряжения заряда АКБ: 2.6 – 5.3 В;
• Нижняя граница напряжения разряда АКБ: 2.2 – 3.6 В;
• Два полностью независимых LDOs 1.8 и 3.3В;
• Диапазон рабочих температур: от -40 до 125 градусов Цельсия;
• Ток потребления в режиме ожидания: 1 мкА;
• Ток потребления рабочий: от 5 до 30 мкА (в зависимости от режима работы DCDC преобразователя, понижающий или повышающий).

Подробные характеристики можно посмотреть в datasheet SPV1050 ^[2]

Отладочные платы
Первая STEVAL-ISV019V1

На плате имеется только контроллер и необходимая обвязка. Datasheet STEVAL-ISV019V1 ^[3]

И вторая отладочная плата STEVAL-IDS002V1

Данная плата содержит всё необходимое для старта разработки беспроводных решений. На ней уже смонтирован контроллер, солнечный элемент, микропроцессор и радиомодуль. Datasheet STEVAL-IDS002V1 ^[4]

Ждем поступления отладочных плат, комплектующих и готовности печатных плат для проведения испытаний.
Продолжение следует.

Автор и разработчик: Чуянов Владимир.

Разработчик печатной платы: Саркисян Андрей.

Автор: Svetorus

Источник ^[5]