Um die Verteilung der drahtlosen Kommunikation für Mess-, Überwachungs- und Steuerungsapplikationen zu vereinfachen, ist die Unabhängigkeit vom Stromnetz ideal. Batterien, die offensichtlichste Lösung, vermitteln zwar die Illusion der Netzunabhängigkeit, müssen aber ausgetauscht oder aufgeladen werden. Folge: eine zeitweise Verbindung mit dem Stromnetz, teure menschliche Interaktionen und Wartung. Mit Energy Harvesting hingegen lässt sich Energie aus der Umgebung der Messgeräte sammeln und ein konstanter Betrieb ohne jede Verbindung mit dem Stromnetz und nur minimalem oder gar keinem Wartungsaufwand gewährleisten.
Komplette Einchiplösung für die Energieernte aus einzelnen Solarzellen: Der LTC3105Linear Technology
In der Umgebung können diverse Energiequellen genutzt werden, um elektrische Leistung zu erzeugen, zum Beispiel Vibrationen, Temperaturunterschiede und einfallendes Licht. Problem: Es gibt auch Quellen, die nur wenig Energie generieren. Hierfür fertigt Linear Technology Power-Management-Lösungen. Dazu zählen der LTC3588 für mechanische Schwingungen, der LTC108/LTC3109 für Temperaturunterschiede und jetzt auch der LTC3105 für die Energieernte aus Solarzellen. Die Energieernte aus Solarzellen ist vielfältig einsetzbar, weil Licht praktisch universell und immer verfügbar ist, Photovoltaik-Zellen (PV-Zellen) relativ preisgünstig sind und sie im Vergleich zu anderen Energie-erntenden Applikationen eine hohe Leistung generieren. Aufgrund des relativ hohen Energiepegels kommt die Energieernte aus Solarzellen für die Versorgung von drahtlosen Sensorknoten zum Einsatz, aber auch für das Aufladen von Batterien höherer Leistung, um die Batteriebetriebsdauer zu verlängern – in manchen Fällen eliminiert sie dabei das netzabhängige Aufladen vollständig.
Während Hochspannungspakete von in Reihe geschalteten Solarzellen bereits überaus produktiv im Einsatz sind, sind einzelne Solarzellen noch rar – ein Resultat, aufgrund der Schwierigkeit nutzbare Leistungspegel aus der niedrigen Spannung zu erzeugen, die eine Solarzelle unter Last produziert. Einige Aufwärtswandler können jedoch ausreichende hohe Ausgangsspannungen aus einer einzelnen Solarzelle mit geringer Spannung und relativ hohen Impedanz produzieren. Der LTC3155 ist speziell dafür entwickelt, diese Anforderung zu erfüllen. Durch seine niedrige Start-up-Spannung von 250 mV und die programmierbare Steuerung des maximalen Leistungspunkts (MPPC) kann er die typischen Spannungspegel (1,8 V bis 5 V) erzeugen, die für die meisten Applikationen mit anspruchsvollen Solarzellen erforderlich sind.
Solarzellen als Spannungsquellen
PV-Spannungsquellen können elektrisch durch eine Stromquelle, die parallel mit einer Diode geschaltet ist, modelliert werden, was Bild 1 verdeutlicht. Komplexere Modelle zeigen Sekundäreffekte, aber für diesen Artikel reicht das einfache Modell völlig aus. Zwei allgemeine Parameter, die eine Solarzelle kennzeichnen, sind Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom. Typische Verläufe des Stroms und der Spannung von Solarzellen zeigt Bild 2. Hier ist der Kurzschlussstrom der Ausgang des Stromgenerators und die Leerlaufspannung die Vorwärtsspannung der Diode. Wenn die Lichtintensität steigt, steigt auch der Strom vom Generator an und die I/U-Kurven verschieben sich nach oben.
Um die maximale Leistung aus der Solarzelle zu ziehen, muss der Eingangswiderstand mit dem Ausgangswiderstand der Solarzelle abgeglichen werden, was in einem Betrieb am MPPC resultiert. Bild 3 zeigt die Leistungskurve für eine typische Solarzelle. Um die maximale Leistung zu erhalten, sollte die Ausgangsspannung der Solarzelle am Maximum der Leistungskurve betrieben werden. Der LTC3155 justiert den an den Verbraucher gelieferten Strom, um die Spannung der Solarzelle auf einem Pegel zu halten, der der Spannung entspricht. Diese ist durch den Steuer-Pin für den maximalen Leistungspunkt eingestellt. Daher realisiert ein einziger Programmierwiderstand den maximalen Leistungspunkt und sichert den maximalen Leistungsgewinn aus der Solarzelle sowie den Spitzenladeestrom am Ausgang.
Wie viel Leistung ist verfügbar?
Die Energiemenge, die sich aus einer Solarzelle erzeugen lässt, hängt von mehreren Faktoren ab. Die Ausgangsleistung der Zelle ist proportional zur Intensität des Lichts, das auf die Zelle trifft, der Zellenfläche und des Wirkungsgrads der Solarzelle. In der Regel sind Solarzellen für den Einsatz bei voller Sonnenbeleuchtung spezifiziert (1000 W/m²). Diese idealen Bedingungen sind jedoch in den meisten Applikationen nicht gegeben. Für Bausteine, die im Sonnenlicht arbeiten, kann die von der Solarzelle verfügbare Spitzenleistung von einen auf den nächsten Tag, aufgrund des Wetters, der Jahreszeit, Nebel, Staub und dem Einfallswinkel des Sonnenlichts leicht um Faktor 10 variieren. Die typische Ausgangsleistung für eine kristalline Solarzelle in vollem Sonnenlicht beträgt ungefähr 40 Milliwatt pro Quadratzoll, abhängig von der Zellencharakteristik. Eine Solarzelle mit einer Fläche von mehreren Quadratzoll ist ausreichend, um viele entfernt eingesetzte Sensoren zu betreiben und die Erhaltungsladung einer Batterie zu liefern.
Im Vergleich dazu haben Solarzellen, die mit Innenbeleuchtungen arbeiten, erheblich weniger Energie zur Verfügung. Die Innenbeleuchtung ist allgemein nur rund 0,25 Prozent so stark wie das volle Sonnenlicht. Im Übrigen ist dieser große Intensitätsunterschied zwischen der Innenbeleuchtung und dem Sonnenlicht schwer zu erkennen, weil sich das menschliche Auge auf einen weiten Bereich von Lichtintensitäten adaptieren kann. Die deutlich wenigeren Lichtmengen, die für Anwendungen in Gebäuden verfügbar sind, sind eine große Design-Herausforderung. Selbst eine große kristalline Solarzelle mit einer Fläche von vier Quadratzoll erzeugt bei üblicher Bürobeleuchtung nur 860 µW.
Die maximale Spannung für die Steuerung des Leistungspunkts wählen
Bild 4 zeigt ein Modell für den Mechanismus der Steuerung des MPPC mit dem LTC3105. Bild 3 zeigt die Leistungskurve für eine Solarzelle. Die Spitzenleistung der Solarzelle nimmt stark ab, wenn die Zellenspannung von ihrem Spitzenwert abfällt. Es ist deshalb allgemein wünschenswert, auf Nummer Sicher zu gehen und eine nicht ideale niedrige Steuerspannung zu verwenden, anstatt eine höhere Spannung, weil die Leistungskurve auf der Spannung-führenden Seite schneller abfällt.
Wenn der Entwickler die MPPC-Nachführspannung auswählt, müssen verschiedene Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Üblicherweise wandert der MPPC nicht wesentlich, wenn sich die Beleuchtung ändert. Als Ergebnis ist es möglich, eine einzige Nachführspannung zu wählen, die für einen weiten Bereich an Beleuchtungsstärken einen Betrieb nahe dem maximalen Leistungspunkt ermöglicht. Selbst wenn der Betriebspunkt bei extremen Beleuchtungsstärken nicht genau am maximalen Leistungspunkt liegt, führt dies üblicherweise nur zu einer minimierten Ausgangsleistung von etwa 5 bis 10 Prozent.
Für die in Bild 5 dargestellte Leistungskurve führt eine MMP-Spannung von 0,4 V bei beiden Beleuchtungsextremen zu einer Leistung nahe am maximalen Leistungspunkt. Die Spannungsdifferenz vom MMP beträgt in beiden Fällen ungefähr 20 mV, was einen Leistungsverlust von weniger als 3 Prozent ausmacht. Als Daumenwert sollte die Steuerspannung für den MMP etwa bei 75 bis 80 Prozent der Leerlaufspannung der Solarzelle liegen. Das Nachführen auf diese Spannung resultiert in einem Ausgangsstrom der Solarzelle, der zwischen 75 und 80 Prozent des Kurzschlussstroms liegt.
Li-Ionen-Batterien im Freien laden
Eine der Herausforderungen, denen sich Applikationen mit Solarzelle stellen müssen: die fehlende Eingangsleistung bei Dunkelheit und niedrigem Lichteinfall. Für viele Anwendungen ist es deshalb notwendig, Energiespeicher, wie Supercaps oder wieder aufladbare Batterien zu verwenden. Diese müssen jedoch groß genug sein, so dass sie genügend Leistung auch während der längsten Perioden ohne Licht liefern können.
Bild 7 zeigt das gemessene Profil des Ladestroms aus einer zwei mal ein Zoll großen polykristallinen Solarzelle, um eine Li-Ionen-Batterie über die in Bild 6 dargestellte LTC3105-Schaltung zu laden. Die obere Kurve in Bild 7 zeigt den Ladestrom an einem typischen Tag bei vollem Sonnenschein. Die untere Kurve zeigt den Ladestrom, wie er im Verlaufe eines stark bewölkten Tages auftritt. Selbst bei wenig Licht ist während des ganzen Tages ein Ladestrom von mindestens 250 µA vorhanden, was zu einer Ladung von insgesamt 6 mAh führt.
Das optimale Energiespeicherelement einsetzen
Es gibt verschiedene Alternativen zum Speichern der geernteten Energie. Dazu gehören unterschiedliche Batterietypen und Kondensatoren mit hoher Energiedichte. Nichts davon ist jedoch perfekt für sämtliche Applikationen. Wenn man das Speicherelement für die jeweilige Anwendung auswählt, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, wie die Selbstentladungsrate, maximale Lade- und Entladeströme, Spannungsempfindlichkeit und Lebensdauer.
Die Selbstentladungsrate ist insbesondere für Solarzellenanwendungen eine wichtige Kennzahl. Weil in den meisten Solarzellenanwendungen lediglich eine begrenzte Menge des verfügbaren Ladestroms vorhanden ist, kann eine hohe Selbstentladungsrate einen großen Teil der verfügbaren Energie von der Solarzelle wieder „auffressen“. Einige Energiespeicher, wie Superkondensatoren, können einen Selbstentladestrom von über 100 µA aufweisen. Allerdings kann das die Ladung, die über einen gesamten Tag angesammelt wurde, wieder erheblich minimieren.
Weiterer Schlüsselfaktor: die Rate, mit der das Energiespeicherelement geladen werden kann. Eine Lithium-Knopfzelle mit einem maximalen Ladestrom von 300 µA benötigt einen großen Widerstand zwischen sich selbst und dem Ausgang des LTC3105, um Überstrombedingungen zu vermeiden. Das kann die geerntete Energie begrenzen, was die für die Applikation verfügbare Energiemenge reduziert. In vielen Fällen ist die Laderate proportional zum nächsten wichtigen Faktor: der Lebensdauer. Die Lebensdauer eines Speicherelements bestimmt, wie lange es ohne Wartung arbeiten kann. Ganz allgemein formuliert, reduziert schnelleres Laden und Entladen die Lebenszeit des Speicherelements. Superkondensatoren verfügen über eine sehr lange Lebensdauer, während Batterien, die mit relativ hohen Strömen (Ladung > 1C) geladen werden, eine niedrige Lebensdauer aufweisen. Zusätzlich zur Lade- und Entladerate kann die Intensität jedes Lade-/Entladezyklus die Lebensdauer von Batterien beeinflussen, wobei intensivere Zyklen zu kürzerer Lebensdauer führen.
Bei einigen Batterietypen, besonders bei Lithium- und Dünnfilmbatterien, müssen sowohl die maximale als auch minimale Spannung sorgfältig kontrolliert werden. Die maximale Ladespannung ist in Applikationen mit dem LTC3105 genau begrenzt, da der Wandler das Laden beendet, wenn sein Ausgang in Regelung übergeht. Um eine Überladung zu verhindern, kann der LTC3105 zusammen mit dem Shunt-Batterieladebaustein LTC4071 verwendet werden, wie in Bild 8 dargestellt.
Fazit
Der LTC3105 ist eine komplette Einchiplösung für die Energieernte aus preisgünstigen, einzelnen Solarzellen. Seine integrierte Steuerung des MPPC und die Fähigkeit, aus niedrigen Eingangsspannungen hochzufahren, ermöglichen den direkten Betrieb an einer einzelnen Solarzelle und stellen die maximale Leistungsausbeute sicher. Der LTC3105 kommt zum Einsatz, um Schaltungen direkt zu versorgen, um Energiespeicherelemente zu laden oder um den Betrieb auch bei Dunkelheit oder wenig Licht sicherzustellen. Der LTC3105 ermöglicht es, autonome abgesetzte Sensorknoten, Datenerfassungssysteme und weitere Anwendungen aufzubauen, die eine Netzunabhängigkeit und geringen Wartungsaufwand erfordern.
Nathan Bourgoine
(eck)
