TSEM: un minuscolo caricabatterie ad energia solare

L'ingegnere hardware Jasper Sikken ha progettato il Tiny Solar Energy Module (TSEM), un PCB quadrato da un pollice ad energia solare per caricare batterie agli ioni di litio e così alimentare piccoli dispositivi come sensori BLE o LoRa. Gli elementi che rendono questa scheda facile da integrare in altri progetti includono vias castellati, uscite regolate da 1,8 V e 3,3 V che sono attive quando la batteria collegata ha una carica utile e un avviso di batteria scarica che informa l'utente dello spegnimento imminente quando la batteria si sta esaurendo. In questo articolo, andremo a descrivere le caratteristiche di questo progetto open source.

Introduzione

Il Tiny Solar Energy Module (TSEM) è unico non solo perché minuscolo, ma anche per il fatto che si tratta di un modulo facile da produrre e da integrare nei più vari progetti su PCB o breadboard. Il modulo, ad esempio, potrebbe essere una buona soluzione per progetti IoT come il monitoraggio remoto o forse l’automazione dei vivai che dipendono da determinate condizioni di luce per una crescita ottimale.

Si tratta di un modulo PCB dalle dimensioni di 2,54 x 2,54 cm con due minuscole celle solari a montaggio superficiale incluse sulla piccola scheda, un caricabatterie agli ioni di litio ad alta efficienza e due uscite regolate (3,3 V e 1,8 V). Raccoglie energia dalla luce in ambienti interni, sufficiente per alimentare un semplice sensore BLE o LoRa. La scheda è dotata di vias castellati in modo da poter essere fissata a montaggio superficiale su un PCB madre o su basette da 0,1" per essere utilizzata in una breadboard.

La scheda TSEM è dotata di una coppia di celle solari monocristalline IXYS KXOB22–12X1F-ND in grado di raccogliere in media 0,55 mAh (@ 23 μA) al giorno, con un'uscita di 0,5 V/44 mA per ciascuna cella. Le celle solari monocristalline hanno un intervallo spettrale molto ampio con un'efficienza del 22%. Dispone, inoltre, di un IC AEM10941 che offre un avvio a bassissima potenza e trae la maggior parte della sua energia direttamente dalle celle solari attraverso il monitoraggio del punto di massima potenza MPPT ogni 5 secondi. Per l'alimentazione continua o di backup, la scheda consente una batteria agli ioni di litio da 3,7 V. Ciò rende TSEM adatto per applicazioni interne.

Quanta energia raccoglie il TSEM?

Per quanto riguarda la quantità di energia che la scheda è in grado di raccogliere in ambienti interni, ciò dipende da quanta luce ambientale è presente.

La luce in ambienti interni è circa 1/100 della luce esterna, che si traduce in 10 W/m². A tale potenza, la tensione a circuito aperto della cella solare è di 0,458 V con una stimata Vmp (tensione di massima potenza) pari a 0,36 V per cella. Considerando che è presente una coppia di celle solari, il booster funzionerà con una tensione di ingresso di 0,72 V. A tale tensione l'efficienza del boost di tensione è di circa il 75%. L'efficienza di carica delle batterie LiPo è di circa il 95%. La corrente della batteria è 5,72 volte inferiore alla corrente solare perché la tensione aumenta da 0,72 V a 4,12 V. Supponendo che la luce interna sia disponibile per 10 ore al giorno, ogni giorno vengono raccolti:

44 mA * 1/100 * 75% * 95% * 0,72 V/4,12 V * 10 ore = 0,55 mAh

Quindi, un'applicazione, per funzionare, deve avere una corrente media inferiore a 0,55 mAh/24h = 23 μA, sufficiente per un semplice beacon Bluetooth Low Energy o una semplicissima applicazione LoRa. Tuttavia, se il dispositivo è esposto direttamente al sole solo per un'ora al giorno, raccoglie circa 10 volte di più: 7 mAh. Se si ha bisogno di raccogliere di più, è possibile collegare un pannello solare esterno tramite i terminali della scheda. L'energia raccolta può essere immagazzinata in una batteria LiPo.

Specifiche del TSEM

Vediamo nel dettaglio le caratteristiche tecniche della scheda:

PCB 2 strati di dimensioni 25,4 x 25,4 x 0,6 mm (1 x 1 pollice)
2 celle solari integrate in serie, 0,5 V/44 mA ciascuna, di dimensioni 22 x 7 x 1,8 mm ciascuna
Tensione di ingresso dell'IC di raccolta da 50 mV a 5 V. Corrente di ingresso massima 110 mA. MPPT ogni 5 secondi, MPPT impostato al 70% (regolabile)
Batteria: collegare una batteria Li-Po esterna da 3,7 V
Uscite regolate da 3,3 V/80 mA e 1,8 V/20 mA. Uscite abilitate quando la tensione della batteria è compresa tra 3,60 V e 4,12 V (tensione di carica massima)
Partitore di tensione per monitorare la tensione della batteria utilizzando l'MCU host
Pin di uscita di stato da 3,3 V che avvisa l'MCU host se la tensione della batteria scende al di sotto di 3,60 V

Nella Figura 1 viene riportata la piedinatura della scheda.

Figura 1: Piedinatura della scheda TSEM

SRC - terminale positivo del pannello solare, ingresso all'IC di raccolta, collegare solo quando si utilizza il pannello solare esterno invece delle celle solari integrate.

GND - terminale negativo del pannello solare, collegare solo quando si utilizza il pannello solare esterno invece delle celle solari integrate.

BUCK - può essere utilizzato per portare SELMPP1 e SELMPP0 in alto, 2,2 V.

STATUS - uscita a drain aperto con pull up da 1 MΩ; quando la tensione della batteria scende al di sotto di 3,6 V si abbassa per 600 ms prima che l'uscita da 3,3 V venga disabilitata. Può essere utilizzato per avvisare l'MCU host di terminare normalmente la scrittura su eeprom/flash e prepararsi all'interruzione dell'alimentazione. Livello di tensione 0/3,3 V.

BAT_MEAS - uscita analogica, fornisce una tensione divisa della batteria per l'MCU host con rapporto 10/(4,7+10) = 0,68*Vbat.

BAT+ - si collega al terminale positivo della batteria Li-Po

GND - si collega al terminale negativo della batteria Li-Po

3,3 V - uscita dell'alimentatore, fornisce 3,3 V al circuito dell'applicazione

GND - collegamento a terra per l'uscita da 3,3 V

1,8 V - uscita dell'alimentatore, fornisce 1,8 V al circuito dell'applicazione

GND - collegamento a terra per l'uscita da 1,8 V

Componenti del TSEM

Gli elementi più importanti della scheda sono:

Le 2 celle solari IXYS KXOB22-12X1 da 0,5 V/44 mA
Il gestore di energia ambientale a doppia uscita, altamente efficiente e regolato AEM10941

Andiamo a descrivere più nel dettaglio questi componenti.

IXYS KXOB22

Le 2 celle solari IXYS KXOB22-12X1 fanno parte della linea di prodotti IXYS SolarBIT realizzati con celle solari monocristalline ad alta efficienza. Queste celle sono l'ideale per ricaricare vari dispositivi di consumo portatili e alimentati a batteria come telefoni cellulari, fotocamere, PDA, lettori MP3 e giocattoli. Sono adatte anche per applicazioni industriali come sensori wireless, strumentazione portatile e per la ricarica di batterie di riserva.

Con un'efficienza della cella tipicamente pari al 22%, misurata a livello di wafer, esse offrono la possibilità di prolungare la durata temporale anche in condizioni di "scarsa illuminazione" e aumentano la durata della batteria e l'autonomia con un ingombro ridotto, il che può essere facilmente adattabile alla progettazione di prodotti portatili.

Il design consente di collegare le celle in modo flessibile in serie e/o parallelo per soddisfare perfettamente i requisiti di potenza dell’applicazione. I prodotti hanno un'ottima risposta su un ampio intervallo di lunghezze d'onda e pertanto possono essere utilizzati sia per applicazioni interne che esterne.

È necessario fornire alcune informazioni di base per capire meglio cosa aspettarsi in termini di prestazioni da parte delle celle per quanto riguarda:

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