ИОНИСТОРЫ В СХЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

РАДИОСХЕМЫ



СХЕМЫ И СТАТЬИ


РАДИОБЛОГИ
Правила замены микросхем операционных усилителей

Зарядное для авто из блока питания ноутбука

Сварочник из микроволновки с китайским модулем управления

Универсальный цифровой изолятор сигналов

Плазменный шар питаем от батареек вместо 220V

Как подобрать встраиваемую розетку

Плазменная свеча Tesla HFSSTC

Стрелочный ваттметр



ИОНИСТОРЫ В СХЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ



Все больше электронных устройств, датчиков и измерительных систем используют беспроводную связь. Для устройств IoT - Интернета вещей, беспроводная связь является основой, и должна обладать небольшими размерами, портативностью, долгим сроком службы и сопутствующими функциями. Способ совместить эти требования в одном продукте - это эффективный источник питания, потому что даже маленькие пуговичные батарейки часто бывают слишком большими для микромодулей SMD, к тому же их замена затруднительна. В таких ситуациях решение может заключаться в накоплении свободно доступной энергии (например фотоэлектрической).

Есть много небольших устройств, которые могут питаться от фотоэлементов, даже если их источники маломощны. Но с использованием суперконденсаторов можно обеспечить ещё более эффективную работу без подключения к электросети или использования сменных батарей.

Небольшие солнечные батареи, используемые на улице или в помещении, могут обеспечивать мощность до десятков милливатт. Это немного, поскольку пиковая мощность потребляемая модулями связи, колеблется от примерно 50 мВт для связи через Bluetooth до 5 Вт для связи через сотовую сеть.

Их работу можно обеспечить за счет использования суперконденсаторов (ионисторов), которые накапливают энергию для использования в короткие сроки. Есть два подхода к этому типу. Первый используется в маломощных устройствах в закрытых помещениях, питаемых от существующего освещения, где суперконденсатор подает энергию для сигналов, передаваемых модулем связи (обычно BLE).

Маленькие, тонкие, призматические суперконденсаторы хорошо подходят для этого, особенно в небольших компактных датчиках. Второй подход используется на открытом воздухе с большей мощностью, дневным светом и круглосуточной работой. В них суперконденсатор подает энергию для модуля GSM. Для этого подходят большие цилиндрические суперконденсаторы до 400F.

Суперконденсатор - отличный буфер для заряда

Эквивалентная схема цепи фотоэлектрического элемента.

Например рассмотрим датчик, который каждый час сигнализирует о своем статусе хосту с помощью 3-х секундной передачи SMS через сотовую сеть и модем GPRS класса 8 (передача с одним слотом). Во время передачи потребляемая мощность составляет 7 Вт, а энергия трехсекундного излучения примерно 2,6 Дж.

Без ионистора необходима фотоэлектрическая панель, которая постоянно заряжает аккумулятор, но ее можно заменить суперконденсатором, который является идеальным буфером, обеспечивающим высокую энергию от источника малой мощности, который ее извлекает. Такая схема проиллюстрирована на рисунке. Источник воспринимает свою нагрузку вместе со схемой электронного интерфейса как постоянную нагрузку малой мощности.

Нагрузка, с другой стороны, видит низкое сопротивление источника, который может подавать требуемую энергию пока она передает сигнал требуемой мощности. Единственным ограничением является необходимость превышения средней мощности нагрузки на среднюю мощность фотоэлектрической батареи из-за ограниченной эффективности преобразования энергии (конденсаторного зарядного устройства).

Токовые и силовые характеристики фотоэлектрической панели в зависимости от напряжения при комнатном освещении.

Заряд хранится в ионисторах в физической, а не химической форме, поэтому его жизненный цикл неограничен. Температурный диапазон их работы широк, а эквивалентное последовательное сопротивление ESR при -40 C даже вдвое выше, чем при комнатной температуре. Суперконденсаторы демонстрируют высокую эффективность заряда / разряда, отлично подходят для функции буфера энергии и имеют низкие потери.

В случае схемы показанной на рисунке, в наихудшем сценарии суперконденсатор при питании модуля GSM разряжается током 2 А от начального напряжения 3,8 В до 3,2 В. Если его ESR = 100 мОм, эффективность разряда 95%. Когда фотоэлектрическая панель заряжает током 50 мА, что является максимальным током зарядки, эффективность составляет 99,9%.

Стоит помнить, что суперконденсаторы очень легко заряжаются в системе постоянного, а не постоянного напряжения, что требует защиты от перенапряжения.

Характеристики фотоэлектрической панели

Технические данные фотоэлементов обычно включают их вольт-амперные характеристики и пиковую мощность в условиях солнечного освещения 1 кВт / м2 или 100 000 люкс. Оценить мощность отдаваемую в текущих условиях освещения сложно, поэтому стоит убрать текущие характеристики ячейки, что несложно сделать в соответствии со схемой на рисунке.

Когда сопротивление потенциометра изменяется, напряжение и ток ячейки тоже меняются. Тут показаны характеристики тока и мощности в зависимости от напряжения небольшой фотоэлектрической панели, состоящей из 5 параллельно соединенных секций, при слабом внутреннем освещении примерно 100 люкс, в среднем примерно 600 люкс и сильном примерно 1500 люкс. Эта панель обеспечивает мощность 0,15 мВт при слабом освещении 100 люкс и 1500 люкс 1,5 мВт при ярком освещении.

Выбор емкости суперконденсатора

Конденсатор в анализируемом решении должен обеспечивать напряжение питания устройства от минимального до максимального значения, накапливать заряд, необходимый для излучения сигнала передачи требуемой мощности и длительности, и достаточный для поддержания работы приложения в течение всего периода отсутствия доступа к свету. Также существует потребность в дополнительной нагрузке на прогнозируемый период старения.

Эквивалентная принципиальная схема суперконденсатора, разряженного постоянной мощностью.

Допустимое рабочее напряжение суперконденсатора невелико, примерно до 2,7 В. Его можно увеличить вдвое, подключив 2 ионистора последовательно. Правда это увеличивает стоимость и занимаемый объем, а также требует сбалансированного распределения напряжения между двумя конденсаторами. Если минимальное напряжение составляет, например от 3 до 2 В, а модуль BLE работает при пониженном напряжении, скажем от 2,7 до 2,0 В, достаточно одного конденсатора. Если минимальное напряжение, например 3,2 В для модуля GSM / GPRS, выше допустимого напряжения конденсатора, ионистор должен состоять из двух частей.

ESR и ток утечки суперконденсатора

Часто суперконденсаторы выбираются на основе упрощенного энергетического баланса, игнорируя потери при передаче энергии, то есть наличие ESR, которое снижает эффективность зарядки и разрядки и снижает выходное напряжение.

Зависимость тока утечки суперконденсатора GA 109 при 2,5 В от времени.

Ток утечки должен быть намного ниже чем ток зарядки, обеспечиваемый солнечными элементами. В противном случае на его подзарядку уйдет много времени. Ток утечки суперконденсатора прямо пропорционален его емкости. Он также во многом зависит от материала электродной фольги и сепаратора. В небольших призматических суперконденсаторах он составляет около 1 мкА / Ф.

В этом случае ток утечки устанавливается на уровне примерно 1 мкА через неделю, как в большинстве электролитических суперконденсаторов, что значительно ниже силы тока зарядки фотоэлектрического элемента. Устройства с водным электролитом достигают равновесия сразу после зарядки, но их ток утечки на порядок выше чем у версии с органическим электролитом.

Старение ионисторов

Все суперконденсаторы со временем стареют с уменьшением емкости и увеличением ESR. Скорость старения зависит от их вольт-фарадных и температурных свойств.

Простейшая схема цепи зарядки суперконденсатора током фотоэлемента.

Требуемая мощность и значения ESR должны учитывать ожидаемую потерю мощности и увеличение ESR в течение ожидаемого срока службы. Поэтому зарядные устройства должны:

  • начинать зарядку с 0 В. Разряженные суперконденсаторы сначала показывают симптомы короткого замыкания, которые зарядные устройства считают повреждением и не начинают зарядку,
  • обеспечивать защиту от перенапряжения,
  • предотвратить обратный разряд ионистора фотоэлектрическим элементом в случае уменьшения света,
  • обеспечить максимальную эффективность зарядки.

На рисунке показана простейшая схема зарядки, в которой диод Шоттки BAT54 с низким прямым напряжением защищает плохо освещенный фотоэлемент от обратного тока. Схема очень проста, но когда напряжение ячейки меньше напряжения суперконденсатора, его нельзя зарядить. Поэтому необходимо использовать повышающую или понижающую схему зарядки.

Типы встроенных зарядных устройств

Напряжение холостого хода фотоэлектрической батареи зависит от количества последовательно включенных фотоэлектрических секций, а эффективность по току - от количества параллельных секций. Если напряжение фотоэлектрической матрицы выше напряжения нагрузки только при низком потреблении тока, зарядное устройство должно находиться в режиме пониженного энергопотребления. При увеличении количества параллельных секций можно использовать более простое решение.

Характеристики тока и напряжения в зависимости от времени сигналов, излучаемых модулем BLE.

Примером может служить фотоэлектрическая батарея KXOB22-4X3L, состоящая из трех последовательно соединенных ячеек. Напряжение холостого хода этой батареи составляет примерно 1,2 В в помещении и примерно 1,8 В при солнечном свете на улице. Следовательно в обеих случаях требуется повышающий преобразователь.

Схема зарядки с AEM10940.

Для испытаний использовалась небольшая фотоэлектрическая панель с низким внутренним освещением 100 лк, с суперконденсатором GA109 (180 мФ / 40 мОм) от CAP-XX и модулем BLE, который ежесекундно сообщает о температуре, относительной влажности и уровне освещенности. Напряжение питания модуля 2-3 В, поэтому использовался одинарный суперконденсатор с рабочим напряжением 2,5 В.

Далее показаны кривые напряжения и тока датчика во время сбора и передачи данных. Пиковый ток в импульсах длительностью 1 мс составляет около 22 мА, в более длительных импульсах длительностью 12 мс - 4,5 мА, а в последних 5 мА.

Зарядная характеристика суперконденсатора GA109 при освещении 100 лк как функция времени.

Как показано, эти интенсивности намного превышают 260 мкА тока фотоэлектрической панели, работающей в точке максимальной мощности. Напряжение USC на конденсаторе падает на 1 мВ после 1 мс импульса 22 мА. Напряжение USC на конденсаторе падает на 6 мВ после 12 мс импульса 4,5 мА, закончившегося импульсом 5 мА. Это падение незначительно, что позволяет осуществлять несколько передач.

На рисунке показана схема датчика, в котором зарядное устройство на микросхеме AM10940, питаемое от пяти тройных секций фотоэлементов KXOB22-4X3L, заряжает суперконденсатор GA109. Когда напряжение суперконденсатора достигает 2,4 В, включается полевой МОП-транзистор M1, который запускает модуль BLE. Это опосредуется контрольным компаратором U1 с гистерезисом.

Когда суперконденсатор разряжается до 2,2 В, M1 блокирует отключение модуля пока суперконденсатор перезаряжается, после чего модуль BLE повторно инициализируется. Инициализация требует тока 12 мА и занимает 2,1 с. За это время напряжение суперконденсатора GA109 падает на 117 мВ.

Зарядные характеристики суперконденсатора GA109 при освещении 650 лк в зависимости от времени.

Гистерезис в 200 милливольт позволяет GA109 инициализировать модуль и отправить ему несколько импульсов передачи.

При освещении 100 люкс, зарядка GA109 и последующая эффективность передачи показаны на рисунке. 100 люкс - это слабый свет, но обеспечивающий достаточную мощность для солнечной панели питания датчика.

На рисунке показано, что при такой низкой освещенности зарядка суперконденсатора от 0 В для отправки первого сигнала занимает около 45 часов, а зарядка для отправки следующего сигнала занимает всего около 2,6 часа. График показывает эффективность датчика в хорошо освещенной комнате (650 лк), когда мощность фотоэлектрической панели превышает 0,4 мВт, первая зарядка занимает всего 32 минуты, а передачи повторяются примерно каждые 2 минуты. Инициализация вместе с отправкой импульса занимает 2,9 с.

Форма кривой тока утечки двойного суперконденсатора 50 Ф во времени.

Эти тесты показывают что даже небольшая солнечная панель способна эффективно заряжать суперконденсатор, питающий маломощный датчик, который собирает и отправляет данные. Зарядное устройство AM10940 может заряжать ионистор мощностью всего 150 мкВт при слабом освещении и более эффективно с мощностью 400 мкВт при ярком солнечном свете. Небольшой суперконденсатор GA109 с низким ESR обладает достаточной емкостью для нужд таких датчиков.

Источник питания с фотоэлектрическими панелями, когда освещение недоступно, по-прежнему требует использования ионисторов с большей емкостью. Для тестирования такого случая использовалась та же фотоэлектрическая панель, что и раньше, но под солнечным светом, что позволяет отправлять SMS-сообщения каждые полчаса при 2-х секундной работе модуля GSM. Радиосигнал передается импульсами длительностью 1,1 мс с потребляемым током 2 А при рабочем цикле 25%. Диапазон напряжения на конденсаторе 3,8-3,0 В, время работы в темноте 12 часов.

Характеристики показывают, что фотопанель, используемая при солнечном освещении 83 000 люкс, выдает 62 мВт максимальной мощности при 1,26 В и 49 мА. Таким образом зарядное устройство с LTC3105 и КПД ~ 80% обеспечивает суперконденсатор зарядным током 13 мА, а средний ток нагрузки в этом включении составляет 0,56 мА.

Это означает, что в течение дня датчик является самодостаточным, потребляя ток со средней интенсивностью ниже, чем средний ток зарядки суперконденсатора. Даже в пасмурный день этот ток превышает 4 мА.

При выборе суперконденсатора необходимо одновременно учитывать его емкость, ESR и ток утечки. Высокий ток нагрузки и напряжение 3,8 В подсказывают выбор из двух при последовательном соединении, обеспечивая максимальный ток 2 А, что позволяет датчику работать без освещения в течение 12 часов. Следовательно емкость конденсатора должна быть больше, чем:

 

С запасом и с учетом ESR, необходимости использования балансировочной схемы, можно использовать две емкости по 100 F (всего 50 F). Вот показан ток утечки суперконденсатора 50 F. Последовательное соединение двух конденсаторов требует использования цепи выравнивания напряжения. Стандартный резистивный делитель, используемый для этой цели, сам потребляет ток, что вредно при отсутствии освещения. Используемая схема балансировки потребляет всего 3 мкА и включена в осциллограммы на рисунках.

Зарядные характеристики двойного суперконденсатора 50 Ф при освещении 83 000 лк как функция времени.

Распространенной ошибкой при оценке утечки конденсатора является предположение, что ток утечки постоянный или постоянно сопротивление нагрузки, которое в этом случае будет 3,8 В / 130 мкА = 29,2 кОм. Тем не менее утечка - это процесс диффузии, при котором ионы мигрируют из пор углеродного электрода, что также зависит от температуры.

Процесс зарядки суперконденсатора 50 Ф от напряжения 0 В.

В модельной системе используется активная схема выравнивания напряжения на суперконденсаторах, соединенных последовательно, с минимальным током утечки. Это повторитель напряжения устанавливающий напряжение между конденсаторами, определяемое делителем R3 / R5. Операционный усилитель MAX4470 потребляет 0,75 мкА в цепи повторителя, делитель 3,8 В / 2 МОм = 0,19 мкА, всего 0,94 мкА. Наряду с компенсированной разницей токов утечки обоих конденсаторов система выравнивающего повторителя заряжает конденсатор током в несколько микроампер.

На схеме показан процесс зарядки суперконденсатора при солнечном свете от 0 В. Солнечная панель во время холодного запуска LTC3105 подает на суперконденсатор 13 мА. Сила этого тока увеличивается до 20 мА, когда схема инициирует действие повышения, и падает до 13 мА после достижения 3,8 В. При солнечном освещении на это уходит около 3,5 часов.

Затем модуль передачи каждые полчаса излучает 2-х секундные импульсы GPRS (синий цвет). На вставке (зеленая) подробно показана последовательность импульсов GPRS с импульсами 2 А 1,15 мс каждые 4,6 мс.

  • Очень слабо выраженные падения напряжения USC, вызванные импульсами тока, нагружающими суперконденсатор от модулей GSM (красная кривая),
  • Повышенное потребление тока зарядки суперконденсатора от солнечной панели LTC3105 после импульсов передачи (зеленая кривая),
  • Ток изоляции падает до нуля, когда суперконденсатор полностью заряжен и LTC3105 выключен (зеленая кривая).
  • Поскольку суперконденсатор медленно разряжается в течение получаса между импульсами, гистерезисная функция LTC3105 запускает заряд, который продолжается до тех пор пока он не будет полностью заряжен (красная кривая).

На рисунке далее показано напряжение суперконденсатора 50F в течение 12 часов в темноте с поддержанием импульсов GPRS каждые полчаса. Измеренное напряжение систематически уменьшается от начального значения 3,8 В до конечного значения 3 В, что немного ниже ожидаемого для ESR = 30 мОм.

Процесс разряда суперконденсатора 50F импульсами GPRS в течение 12 часов без освещения.

Подведём итоги исследований

Эти тесты показывают как использовать суперконденсатор большой емкости с небольшой фотоэлектрической панелью для питания относительно мощного датчика, даже периодически совсем без освещения.

Преимущество ионисторного питания такого датчика перед аккумуляторным - это физическое хранение заряда, неограниченное время работы, низкий ESR обеспечивающий высокую мгновенную мощность, и отличные тепловые свойства во внешней среде даже зимой.

Результаты экспериментов предполагают необходимость выявления причины больших, чем ожидалось, потерь и, возможно, увеличения емкости суперконденсатора.

В любом случае будущее электропитания этих многочисленных устройств системы "умный дом" не в привязке к сети 220 В, и не в периодически выходящих из строя батареек или аккумуляторов, а ионисторах, как теоретически "вечных" перезаряжаемых источниках энергии.

   Форум по ИП

   Форум по обсуждению материала ИОНИСТОРЫ В СХЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ



MINILED И MICROLED ДИСПЛЕИ

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры - краткий обзор и сравнение технологий.


ПРОСТЕЙШИЙ ГАУСС ГАН

Обзор электромагнитного пистолета из китайского набора для самостоятельной сборки.


СХЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПИСТОЛЕТОВ

Приводится несколько рабочих схем электромагнитных Gauss Gun. Первая часть сборника.


СХЕМА И ТЕСТ МИНИ ПАЯЛЬНОЙ СТАНЦИИ

Тестирование, схема и разборка мини паяльной станции из Китая KSGER STM32 V3.1S OLED T12.



   Радиосхемы » Теория электроники



© 2010-2022 "Радиосхемы". All Rights Reserved  Почта  PDA