Solarzellen als Stromquelle für den Einplatinencomputer Raspberry Pi 3

Von Europäische Herausgeber

Zur Verfügung gestellt von Europäische Fachredakteure von Digi-Key

Die kostengünstigen Einplatinencomputer wie der neueste Raspberry Pi 3 werden immer häufiger in eingebetteten Designs ohne Bildschirm zur Überwachung und Steuerung eingesetzt. Die Möglichkeit, Anwendungen in einer Hochsprache unter einer Linux-Distribution mit auf der Platine integrierter drahtloser Konnektivität zu entwickeln, eröffnet neue Perspektiven für innovative Anwendungen.

Die Stromversorgung für diese Platinen ist durch handelsübliche 5-V-Ladegeräte für Mobiltelefone relativ einfach geworden, aber das Interesse an der Verwendung von Energie, die aus der Umgebung gewonnen wird, wächst ebenfalls. Es würde größere Flexibilität für Systementwickler bedeuten, wenn diese Platinen an Orten aufgestellt werden könnten, die nur schwer vom Stromnetz erreicht werden können. Der Energiebedarf dieser Platinen ist so hoch, dass wiederaufladbare Akkus ohne externe Energieversorgung nicht einsetzbar sind. Letzteres kann durch Solarzellen bereitgestellt werden.

Die Verwendung von Solarzellen zur Versorgung von eingebetteten Einplatinencomputern wird für Systeme ohne Bildschirm immer beliebter. Da der Energieverbrauch der Bausteine auf den Platinen immer niedriger wird und die Effizienz von Solarzellen und Energieverwaltungs-Chips gestiegen ist, ergibt sich die Möglichkeit, die Platine direkt über die Zellen mit Strom zu versorgen und die Erhaltungsladung über ein Akku-Subsystem bereitzustellen. So kann ein Akku einen Einplatinencomputer und seine Kommunikationsverbindungen monatelang oder sogar jahrelang mit Strom versorgen.

Der Raspberry Pi 3 von Raspberry Pi spielt dabei eine wichtige Rolle, da auf der Platine Wi-Fi- und Bluetooth-Funktionen sowie ein 1,2-GHz-Quadcore-ARM® Cortex®-A53-Prozessor integriert sind. Dadurch wird der höhere Stromverbrauch durch einen Wireless-Adapter am USB-Anschluss vermieden. Für die Platine ist bei Unterstützung von Peripherie an den USB-Anschlüssen eine maximale Stromstärke von 2,4 A spezifiziert.

Der Stromverbrauch der Platine liegt bei 31 mA im Leerlauf und steigt bei Last auf 580 mA für Prozessor und Arbeitsspeicher. Der andere Stromverbraucher ist der USB-Controller SMSCLAN9514, der im Suspend-Modus 74 mA zieht. Die 594 mA für die Ethernet-Verbindung sind kaum relevant, da Strom neben einem Ethernet-Kabel geliefert werden kann.

Abbildung des Raspberry Pi 3 von Seeed Technology

Abbildung 1: Im Raspberry Pi 3 von Raspberry Pi ist Wireless-Konnektivität integriert.

Der Stromverbrauch der Wireless-Verbindung hängt von der eingestellten Sendedauer ab. Sie sollte nach der Hauptplatine gestartet werden, um hohe Spitzenströme zu vermeiden.

Damit beträgt die für den Start erforderliche Stromstärke etwa 700 mA bis 900 mA und die Leerlaufstromstärke beträgt ca. 150 mA. Diese muss von einem Energy-Harvester abgedeckt werden.

Dies ist mit Solarzellen, z. B. mit MIKROE-651 von MikroElektronika, möglich. Diese Zellen liefern eine Ausgangsspannung von 4 V bei 100 mA, bis zu 9 Zellen der Größe 70 x 65 mm können parallel geschaltet werden und liefern die für den Start erforderliche Stromstärke. Alternativ liefert die 150 x 37 mm große AM-5902 von Panasonic bis zu 60 mA. Hier wären zur Abdeckung des Leerlaufstroms 3 Zellen erforderlich.

Abbildung der Solarzelle AM-5902 von Panasonic

Abbildung 2: Die Solarzelle AM-5902 von Panasonic.

Wenn nur zwei dieser Zellen Strom für den Leerlauf liefern, sind eine Akku-Pufferung und ein Subsystem für die Energieverwaltung erforderlich. Mit den Solarzellen kann dann der Ladezustand des Akkus erhalten werden, um für die Spitzenbelastung der Platine beim Erfassen von Daten oder beim Senden von Daten an ein Gateway gerüstet zu sein.

Das Akku-Subsystem kann von einem Baustein wie dem bq25504 von Texas Instruments verwaltet werden. Er wird zum Laden des Akkus und zum Schutz vor Entladung benötigt, wenn die Solarzellen weniger Strom liefern, und er kann fluktuierende Quellen wie Energy-Harvester verwalten.

Für die vom Einplatinencomputer benötigten 5 V werden zwei Solarzellen parallel geschaltet und an einen Akku angeschlossen. Sie liefern die erforderliche Stromstärke.

Dazu sind außer dem Akku ein Schaltregler als Aufwärts- oder Abwärtswandler und ein Ladegerät erforderlich. Der Regler sorgt dafür, dass die gesamte Energie aus den Zellen von der Batterie eingesammelt wird. Dazu wird eine Induktivität mit einer Stromquelle verbunden, damit sich ein Induktionsstrom aufbauen kann, der Energie in der Induktivität speichert. Im zweiten Zyklus überträgt die Induktivität durch Änderung des Pfades seine Energie an die Last. Die Lastspannung kann höher oder niedriger als die der Stromquelle der Induktivität sein.

Schaltbild des Energieverwaltungs-Chips bq25504 von Texas Instruments

Abbildung 3: Anschluss des Energieverwaltungs-Chips bq25504 an einen Akku und an Solarzellen.

Da der direkte Anschluss der Induktivität an eine Solarzelle ineffizient ist, wird zusätzlich ein Kondensator verwendet. Durch Überwachung der Spannung am Kondensator kann der Schaltregler aktiviert werden, wenn die Zelle maximale Energie liefert. Der Kondensator zieht ebenfalls Energie aus den Zellen, wenn die Ausgangsspannung nicht hoch genug ist, um den Wandler zu starten. So wird die gesamte Energie erfasst und gespeichert.

Dies bedeutet, dass der Wandler stoßweise arbeitet, wenn die Ladung des Kondensators hoch genug ist. So ist ein schnelles Laden das Akkus möglich. Allerdings kann es schwierig sein, einen Schnellladevorgang zu beenden, da nicht absehbar ist, wann der nächste Energieschub kommt.

Ein möglicher Ansatz besteht darin, die Ausgangsspannung mit einem weiteren Komparator zu überwachen, das Schalten zu deaktivieren, wenn die Spannung einen hohen Grenzwert erreicht, und es wieder zu aktivieren, wenn die Spannung unter ein vorher festgelegtes Niveau sinkt.

Der bq25504 ist mit einem hocheffizienten Aufwärtswandler und Ladegerät speziell für die effiziente Gewinnung und Verwaltung der von Solarzellen gelieferten Energie ausgelegt. Der Baustein startet mit einem DC-DC-Aufwärtswandler/Ladegerät, das zum Betrieb nur wenige Mikrowatt Leistung aus den Zellen benötigt und dann effektiv Energie gewinnen kann.

Abbildung 3 zeigt eine typische Schaltung, in der zur Versorgung der Platine eine Solarzelle an den bq25504 und an ein Akku-Subsystem angeschlossen ist. Der bq25504 hat einen Ausgang zur Überwachung des Akkus, der an die GPIO-Pins des Raspberry Pi 3 angeschlossen werden kann. Der bq25504 ist wie in Abbildung 4 gezeigt auf einer Evaluierungsplatine angebracht, über die die Solarzellen mit dem Akku verbunden werden können.

Sobald die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers (VSTOR) die für den Wandler nötigen 1,8 V erreicht, kann der Haupt-Aufwärtswandler effizient Energie aus den Solarzellen gewinnen. Er startet mit einer typischen VIN_DC von nur 330 mV und kann dann, sobald VSTOR den Wert von 1;8 V erreicht, weiter Energie gewinnen, bis VIN_DC auf etwa 120 mV sinkt. Der integrierte PFM-Abwärtswandler wird ebenfalls von VSTOR gespeist und liefert am VOUT-Pin bis zu 100 mA, falls die verfügbare Eingangsleistung hoch genug ist.

Abbildung der bq25504-Evaluierungsplatine von Texas Instruments

Abbildung 4: Ein Raspberry Pi 3 kann über eine bq25504-Evaluierungsplatine mit Strom aus Solarzellen versorgt werden.

Ein wichtiges Element des Wandlers ist die Erkennung des MPP (maximum power point) der Solarzellen. Dieser MPP ändert sich mit der Lichteinstrahlung auf die Zelle und der Temperatur. Nun wird die Stromübertragung zum Baustein über ein programmierbares Netzwerk von MPPT-Proben optimiert. Der bq25504 nimmt alle 16 Sekunden eine Probe der Leerlaufspannung am Eingang, indem er den Aufwärtswandler 256 ms lang deaktiviert, und speichert das programmierte MPP-Verhältnis der Leerlaufspannung im externen Referenzkondensator (C2) unter VREF_SAMP. Typische Solarzellen erreichen ihren MPP, wenn ca. 80 % ihrer Ausgangsspannung erreicht sind, und solange die Spannung des Akkus niedriger als die vom Benutzer programmierte maximale Spannung (VBAT_OV) ist, lädt der Aufwärtswandler die Solarzellen, bis VIN_DC die MPP-Spannung erreicht. Der Aufwärtswandler regelt dann die Eingangsspannung des Wandlers so lange, bis die Ausgangsspannung VBAT_OV erreicht, und überträgt so viel Energie wie möglich an den Akku. Diese wird dann zur Versorgung der Platine mit dem erforderlichen Strom verwendet.

Fazit

Wenn ein 5-V-Einplatinencomputer mit integrierter Wireless-Konnektivität wie der Raspberry Pi 3 an eine Solarzelle angeschlossen werden soll, sind ein Akku zur Pufferung und ein Energieverwaltungs-Subsystem erforderlich, um den erforderlichen gleichmäßigen Strom zu liefern. Mit einem Baustein wie dem bq25504 ist das MPPT verfügbar, das dafür sorgt, dass das Laden des Akkus optimiert wird, und es steht eine Steuerleitung zurück zur Platine zur Verfügung. So kann die Platine an Orten ohne Stromnetz eingesetzt werden und trotzdem Daten an das Netzwerk zurückliefern. 

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