Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Бытовая техника

Термо-влагометр на солнечной батарее

Автор: Сергей Безруков (aka Ser60)
Опубликовано 15.05.2012.
Создано при помощи КотоРед.

Короче - понимая, что тема измерения температуры уже порядочно избита, я в статье делаю упор не на это. Изюминка описываемой конструкции состоит в способе питания схемы. Именно, питание производится от литиевого микро-аккумулятора в корпусе чипа размерами всего 9×9×1мм. Более того, в том-же корпусе находится контроллер его зарядки и схема предотвращения глубокой разрядки. Такие микросхемы (самый большой черный квадрат на плате и IC2 на принципиальной схеме) производятся фирмой Cymbet. Одна из целей статьи – обратить внимание читателей на их существование.

Емкость встроенного аккумулятора в IC2 составляет всего около 50 ... микроампер-часов (написал полностью, чтобы не подумали про опечатку) при номинальном напряжении 4,1в. Конечно, светодиод или, скажем, электромотор от такой батарейки работать не будет. Однако, ее энергии хватает для питания современного микропотребляющего устройства на протяжении длительного времени. Например, они хорошо подходят для использования в качестве источника резервного питания микросхем часов реального времени, или для питания сенсора с микро-передатчиком. На вебсайте фирмы имеется информация о других приложениях и описание преимуществ таких аккумуляторов в сравнении с литиевыми батареями (типа CR2032) и кондесаторами большой емкости (supercap). Данный измеритель, например, работает от такого микро-аккумулятора около 2 суток. Небольшая емкость аккумулятора позволяет использовать микромощные источники энергии для его быстрой зарядки.

Зарядка аккумулятора производится автоматически от солнечной батареи D1 размером всего 22×7мм фирмы IXYS (черный прямоугольник в левой части платы), и это вторая изюминка устройства. Максимальное напряжение солнечной батареи около 4,3в при полной засветке ее солнцем. Однако, для зарядки вовсе не требуется яркое солнце, т.к. контроллер зарядки аккумулятора снабжен повышающим преобразователем и автоматическим переключателем источника энергии. Зарядка начинается при напряжении 2,5в на входе IC2 и занимает около 40 минут. Выходное напряжение IC2 берется либо непосредственно от солнечной батареи если оно выше 3в, либо от встроенного аккумулятора в противном случае. КПД примененной солнечной батареи весьма высок (около 22%), что позволяет производить зарядку даже в пасмурный день на подоконнике в жилом помещении. Тем не менее, если копнуть глубже, схема зарядки аккумулятора в IC2 вовсе не шедевр по параметрам, но в приложениях эти аккумуляторы предполагается заряжать от солнечных панелей неколько большего размера, для которых развить 2,5в даже при комнатном освещении не составляет труда. Кроме того, у фирмы имеется и более продвинутый контроллер зарядки от разных источников, а в планах выпуска и еще гораздо более крутые устройства, но об этом как-нибудь в другой раз.

Устройство это, хотя оно собрано и работает, я-бы скорее назвал экспериментальным. Мне хотелось попробовать микро-аккумуляторы и малогабаритные солнечные батареи в деле, и результаты опытов получились очень многообещающими. Микропотребление схемы обеспечивается выбором соответствующих компонентов. Так, выходное напряжение IC2 в пределах 3 – 3,6в в процессе разрядки стабилизируется на уровне 2,8в линейным стабилизатором IC1 с собственным потреблением порядка 0,5 мкА. Стабилизатор этот необходим, поскольку напряжение на выходе IC2 может достичь 4,3в, что превышает максимально допустимое напряжение питания микроконтроллера (МК). Транзисторная сборка VT1,VT2 образует электронный ключ. В нормальном состоянии транзисторы открыты, что достигнуто заземлением их затворов через резистор R3. При внутрисхемном программировании МК напряжение 3,3в из программатора через разъем SV1 создает падение напряжения на резисторе R3, закрывающее транзисторы, что предотвращает проникновение напряжения программатора на выход IC1. При программировании МК питается через диод D2 и потребляет около 3,6 мА, чего аккумулятору выдать не по силам. Транзисторы включены встречно-последовательно, чтобы избежать утечки тока при их закрытии через паразитные диоды Шоттки, подключенные параллельно их каналам и неизбежно появляющимся при технологическом процессе производства. Применение коммутирующих полевых транзисторов обеспечивает гораздо меньшее (практичеки нулевое) падение напряжения на них по-сравнению, скажем, с развязкой на диодах.

Конденсатор C1 является накопительным для солнечной батареи D1, а C2 нужен для повышающего преобразователя IC2. Вообще, про ее работу много чего интересного написано в даташите и апноутах по алгоритму работы в режиме сбора энергии, примененного в данной конструкции. Коротко – такой режим устанавливается соединением вместе выводов 5 и 8, при котором микрохема следит за напряжением солнечной батареи и отключает повышающий преобразователь при падении этого напряжения ниже порога. В результате уменьшение нагрузки солнечной батареи приводит к повышению ее напряжения и запуску преобразователя для зарядки аккумулятора. При малой освещенности этот процесс повторяется периодически. При большей-же напряжение солнечной батареи перенаправляется на выход IC2, а повышающий преобразователь (если он нужен и активирован) работает только на заряд аккумулятора. Конденсаторы C3 и C4 являются блокировочными на входе и выходе LDO IC1.  

Кардинальное снижение токопотребление схемы достигнуто путем использования МК фирмы Silicon Laboratories с собственным потреблением порядка 0,4 мкА в режиме сна с работающим таймером. МК пробуждается от таймера каждые 15 мсек для инвертирования напряжения на выводах ЖКИ, реализуя таким образом его программный драйвер. Время выхода МК из глубокого сна не превышает 10 мксек. Измерение температуры осуществляется аналоговым сенсором IC4 и встроенным АЦП, а влажности – емкостным датчиком C6, включенным в схему релаксационного генератора на основе компаратора МК (все резисторы для реализации генератора также имеются внутри МК). Измерения производятся в чередующемся порядке каждую секунду. При индикации температуры на дисплее (модель фирмы Varitronix) появляется символ градуса. Этот символ получен из десятичной точки, для чего индикатор развернут на 180° относительно стандартного положения. Как показали эксперименты, даже при питании индикатора от 2,8в обеспечивается приемлимый контраст и достаточно широкий угол для считывания его показаний.

 

Среднее токопотребление схемы в режиме показа температуры/влажности составляет около 2 мкА. Для снижения его до уровня примерно 0,5 мкА управление дисплеем и съем показаний с датчиков отключается в темное время суток. Это достигнуто периодической проверкой напряжения на солнечной батарее через делитель R1,R2 и АЦП в МК. Однако, даже если дисплей не отключать, измеритель работает от микро-аккумулятора около суток и запросто переживет ночь до следующей подзарядки в светлое время дня. Если даже энергия аккумулятора иссякнет до подзарядки, измеритель запустится при освещении солнечной батареи солнцем или яркой лампой. Для старта кратковременно требуется несколько больше энергии на время инициализации МК. В активном режиме МК работает на частоте 20 мгц от внутреннего генератора.  

После распайки деталей на плате она покрашена в белый цвет несмываемым маркером Sharpie для предохранения дорожек от окисления и уменьшения нагрева платы солнечным светом (напомню – датчик температуры находится на плате). Сверху плата прикрыта защитной пластиной из плексигласа. Габариты «корпуса» около 50×41×6мм. Программа МК написана на языке ассемблера и скомпилирована средствами разработки фирмы Keil.


Файлы:
Исходник, прошивка и файл платы для Eagle


Все вопросы в Форум.


ID: 1221

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

83 5 2
1
Подробно