Do czego to służy?

Ludzkość od dawna marzy o skonstruowa-
niu perpetuum mobile. Niestety fizycy dość
skutecznie zniechęcają twierdząc, że nie jest
to możliwe. Urządzenie będące przedmiotem
niniejszego artykułu nie jest tym najbardziej
pożądanym wynalazkiem ludzkości, ale jest
jego dalekim przybliżeniem – pozwala uzyski-
wać energię za darmo i teoretycznie w nieskoń-
czoność. Jej ilość nie jest porażająca, ale powin-
na umożliwić ładowanie komórek, odtwarzaczy
MP3, zapewnić światło po zmierzchu, etc.

Opisywany projekt jest połączeniem aku-

mulatora oraz ogniwa słonecznego. Temat
wydał mi się na tyle interesujący, że postano-
wiłem sprawdzić, ile energii można uzyskać z
ogniwa fotowoltaicznego, kosztującego mniej
więcej równowartość trzech biletów do kina.

W urządzenie wbudowana jest przetwornica

podwyższająca napięcie do wartości 5V. Po
przylutowaniu gniazda USB można w ten spo-
sób uzyskać prostą ładowarkę USB, gdyż sprzęt
elektroniczny jest coraz częściej ładowany w
taki właśnie sposób. Maksymalny pobór prądu
zależy od właściwości akumulatora. Układ nie
oferuje rewelacyjnych parametrów. Prąd łado-
wania ogniwa, jaki udało się osiągnąć, docho-
dził do 40mA. Latem wynik może być lepszy,
gdyż testy były prowadzone na początku
marca. Zwykła, biurkowa lampka halogeno-
wa umożliwiała osiągnięcie prądu ładowania
na poziomie 5mA.

W urządzeniu znajduje się mikrokontroler

z rodziny AVR. Wymagane jest jego zaprogra-
mowanie. Mniej doświadczone osoby mogą
poprosić o pomoc bardziej zaawansowanych
kolegów. W skrajnym wypadku można go w
ogóle pominąć – szczegóły na końcu artykułu.

Jak to działa?

Schemat urządzenia przedstawiono na rysun-
ku 1. Najważniejszy element stanowi w tym
przypadku ogniwo fotowoltaiczne SP201.
Zapewnia ono ładowanie akumulatora przy-
łączonego do złącza Z201. Tranzystor T201

umożliwia odłączenie ogniwa po stwierdze-
niu, że akumulator jest w pełni naładowany.
Rezystor R201 podciąga bazę tranzystora do
plusa zasilania, więc dopóki na porcie mikro-
kontrolera nie pojawi się zero logiczne (baza
ściągnięta do masy), będzie on przewodził
i ładował akumulator. Jest to rozwiązanie o
tyle pożądane, że po kompletnym rozłado-
waniu ogniwa porty mikrokontrolera przejdą
w stan wysokiej impedancji i wymusi to jego
ładowanie.

Elementy z sygnaturami zaczynającymi się

od cyfry 1 (np. U101, T101, C101, etc) sta-
nowią przetwornicę podwyższającą napięcie
do 5V. Jest to typowa aplikacja producenta.
Zamiast pojedynczego kondensatora wyjścio-
wego została zastosowana bateria kondensa-
torów C103…C107, co obniża wypadkową
impedancję i wydłuża ich żywotność.

Mikrokontroler zapewnia odrobinę auto-

matyki. W związku z tym konieczny jest
pomiar zewnętrznego oświetlenia oraz napię-
cia akumulatora (dokonuje się to za pomo-
cą dzielników napięcia). Funkcję interfej-
su spełniają diody LED D301...D308, D310
oraz przyciski S1 i S2. Do programowania
mikrokontrolera przeznaczone zostało złą-
cze JP301. W układzie znajduje się źródło
napięcia odniesienia LM285Z-1.2 o napięciu
1,2V. Nie można było do tego celu wyko-
rzystać napięcia zasilania, ponieważ stanowi
je napięcie akumulatora, które zmienia się
w zależności od stopnia
naładowania.

Obsługa

urządzenia

Do obsługi urządzenia
przeznaczone zostały dwa
przyciski. Pierwszy z nich
(S1) służy do uruchamia-
nia przetwornicy. Po jego
naciśnięciu i przytrzyma-
niu przez trzy lub wię-
cej sekund przetwornica

zostanie uruchomiona, a czerwona dioda LED
(D310) zacznie pulsować. Krótkie naciśnięcie
S1 (około sekundy) wyłączy przetwornicę.
Zatrzymanie przetwornicy następuje również
po wyładowaniu baterii.

Przycisk S2 umożliwia kontrolę stanu aku-

mulatora oraz napięcia ogniwa fotowoltaicz-
nego. Krótkie naciśnięcie S2 (około sekundy)
spowoduje, że na kilkanaście sekund włączą
się zielone diody LED. Im mniej się ich
zaświeci, tym bardziej wyładowany jest aku-
mulator. Dłuższe przytrzymanie S2 (ponad trzy
sekundy) spowoduje zaświecenie jednej zielo-
nej diody. Jeżeli w czasie kilkunastu sekund
napięcie na ogniwie fotowoltaicznym zwięk-
szy się, zaświeci się ich więcej (jedna dioda na
każde 100mV). W ten sposób można szukać
optymalnego położenia urządzenia. Kolejne
długie naciśnięcie S2 spowoduje, że znowu
włączy się tylko jedna dioda LED, a następnie
włączą się, gdy zwiększy się napięcie.

Warto wspomnieć, że wyłączenie przetwor-

nicy nie powoduje odcięcia napięcia na wyjściu
(złącze Z101), a jedynie jego zmniejszenie do
wartości odpowiadającej napięciu na zaciskach
akumulatora minus spadek napięcia na diodach
D102 i ewentualnie D101. Niemniej pozwala
to znacząco oszczędzić prąd, gdyż przetwor-
nica wprowadza straty energii. Warto zatem
pamiętać o odłączaniu sprzętu, gdy nie jest on
użytkowany. Co więcej, przetwornica może
nie wystartować, jeżeli obciążenie nie zostanie

2944

2944

53

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Lipiec 2010

Lipiec 2010

+

+

+

+

+

+

Bateria słoneczna

Bateria słoneczna

odłączone. Pojawia się tu pewna subtelność
– przetwornica jest zasilana napięciem, które
sama wytwarza! Jest to podyktowane koniecz-
nością dostarczenia „wysokiego” napięcia ste-
rującego dla tranzystora MOSFET. Napięcie z
baterii przestaje w pewnym momencie wystar-
czać i przy około 3,5V nie można włączyć
przetwornicy. Sytuację pogarsza właśnie dołą-
czone obciążenie, które zmniejsza napięcie
akumulatora („przysiada”). Dobrym wyjściem
prawdopodobnie będzie zastosowanie tranzy-
stora o znacznie niższym napięciu włączenia
bramki, ale niestety nie miałem takowego i nie
mogłem tego sprawdzić.

Pracujący układ zużywa trochę energii

(około 1mA), więc przy dłuższym nieużytko-
waniu warto odłączyć akumulator.

Montaż i uruchomienie

Urządzenie zostało zmontowane na płytce
przedstawionej na rysunku 2. Większość
zastosowanych elementów jest wykonana w
technologii SMD. W dużej mierze wynika to z
poważnej wady użytego ogniwa fotowoltaicz-
nego, jaką jest brak przewodów zasilających
– są jedynie pola kontaktowe. Brakuje rów-
nież otworów mocujących. Najlepszy spo-
sób, jaki udało mi się wymyślić, polega na
wlutowaniu dwóch zworek z drutu w płytkę
drukowaną i położeniu na nich ogniwa. Pola
kontaktowe powinny dotykać wyprowadzeń z
drutu. Jak widać, panel został przymocowany
gumkami. Zmniejszają one co prawda nie-
znacznie powierzchnię wystawioną na ekspo-
zycję promieni słonecznych, ale dzięki temu
montaż jest nieinwazyjny – można szybko
i łatwo zabrać ogniwo, aby wykorzystać je

do czegoś innego. Należy zwrócić baczną
uwagę na POLARYZACJĘ ogniwa. Niestety
nie jest ona w żaden sposób zaznaczona i
przed zamontowaniem panelu trzeba posłu-
żyć się multimetrem i sprawdzić, gdzie jest
plus, a gdzie minus. Warto też wspomnieć,
że ogniwo przychodzi zabezpieczone folią
samoprzylepną, przynajmniej te zamówione
przez mnie takie było. Przed umieszczeniem
go na płytce należy usunąć przezroczystą
folię samoprzylepną.

Dioda D101 nie musi być lutowana. W

początkowej fazie została ona przewidziana
jako element obniżający napięcie wejściowe,
gdyż obawiałem się, że w przypadku trzech
paluszków może ono być za wysokie. Moje
obawy się nie sprawdziły, więc spokojnie
można wlutować zworkę. Może okaże się to
przydatne, gdy ktoś będzie chciał wykorzy-
stać ogniwa o napięciu wyższym niż 5V.

Co do obudowy, to spośród dostępnych na

rynku propozycji nie znalazłem żadnej sen-
sownej przezroczystej obudowy. Moje opory
wzbudziło również używanie obudów z pane-
lami, gdyż część modułu fotowoltaicznego
będzie i tak zasłonięta. Jedynym sensownym
wyjściem wydaje się zakup kawałka plek-
siglasu i wykonanie obudowy samodziel-
nie. Od biedy można poszukać rozwiązań
„nieelektronicznych”, takich jak pudełka do
żywności, etc.

Rezystor R104 można spokojnie zastąpić

rezystorem 0

Ω (zworką w obudowie 1206),

gdyż jest on znacznie
łatwiej dostępny. Podana
wartość 0,1

Ω została

wzięta z aplikacji produ-

centa i najprawdopodobniej jest podykto-
wana chęcią ograniczenia emisji zaburzeń
elektromagnetycznych generowanych przez
przetwornicę.

Możliwości zmian

Pierwszą możliwością zmiany jest wyposa-
żenie urządzenia w obwód pomiaru prądu
ładowania akumulatora. Pozwoli to uzyskać
bardziej wiarygodne dane o efektywności
konwersji energii słonecznej na elektryczną.
W obecnej wersji oprogramowania zielone
diody LED obrazują względną efektywność
ogniwa, gdyż jego napięcie jest w dużej mie-
rze uzależnione od napięcia panującego na
złączu Z201.

Być może niektórzy Czytelnicy zechcieli-

by zastosować inny akumulator niż szerego-
we połączenie trzech ogniw w rozmiarze AA,
np. akumulator polimerowy. W takiej sytua-
cji należy zmodyfikować plik power.h, który
został przedstawiony na listingu 1. Pierwsza
instrukcja define zawierająca stałą POWER_
BATTERY_LEVELS określa kolejne stadia
wyładowania akumulatora. Pierwsza wartość
odpowiada całkowitemu wyładowaniu ognia
(wszystkie zielone diody po krótkim naciśnię-
ciu S1 są wygaszone), natomiast ostatnia – stan
pełnego naładowania (wszystkie zielne LED-
y włączone). Zmieniając te wartości, można
uwiarygodnić pomiary wykonywane przez
urządzenie. Kolejna stała (POWER_BATTERY_
CHARGING_VOLTAGE) określa próg ładowa-

nia akumulatora.
Warto wspo-
mnieć, że w urzą-
dzeniu uwzględ-
niona została 5%
histereza, tzn. od
podanej warto-
ści jest odejmo-
wane 2,5% oraz
jest dodawane
2,5%. Powstają
w ten sposób

dwie nowe war-
tości. Mniejsza z

nich określa, kiedy włą-
czyć ładowanie, a większa
– kiedy je zakończyć. W
przypadku listingu 1 włą-
czenia ładowania nastąpi w
sytuacji, gdy napięcie aku-
mulatora spadnie poniżej
4095mV, a jego wyłącze-
nie po przekroczeniu progu
4305mV. Dalej znajduje się
stała POWER_BATTERY_
CONVERTER_VOLTAGE
określająca napięcie, po
przekroczeniu którego
nastąpi automatyczne
wyłączanie przetwornicy.
Ostatnie dwie stałe określa
się następująco:

PD3/OC2B/INT1

1

PD4/XCK/T0

2

GND

3

VCC

4

GND

5

VCC

6

PB6/XTAL1/TOSC1

7

PB7/XTAL2/TOSC2

8

PD5/OC0B/T1

9

PD6/OC0A/AIN0

10

PD7/AIN1

11

PB0/CLKO/ICP1

12

PB1/OC1A

13

PB2/SS/OC1B

14

PB3/OC2A/MOSI

15

PB4/MISO

16

PB5/SCK

17

AVCC 18

ADC6 19

AREF 20

GND 21

ADC7 22

PC0/ADC0 23

PC1/ADC1 24

PC2/ADC2 25

PC3/ADC3 26

PC4/ADC4/SDA 27

PC5/ADC5/SCL 28

PC6/RESET

29

PD0/RXD

30

PD1/TXD

31

PD2/INT0

32

U301

ATMEGA48V

+V

+V

D311

LM285Z-1.2

C303

100n

C304

100n

R311

3,3k

Z201

AKUM

+V

C201

100u

C202

100n

R201

330R

CHARGE_OFF

+V

R202

100k 1%

CHARGE_V

R203

8,2k 1%

R204

100k 1%

AKUM_V

R205

22k 1%

D307

GREEN

+V

LED_7

D308

GREEN

+V

R308

1k

LED_8

D305

GREEN

+V

LED_5

R301

1k

D306

GREEN

+V

LED_6

R306

1k

D303

GREEN

+V

LED_3

D304

GREEN

R307

1k

+V

LED_4

D301

GREEN

+V

R304

1k

LED_1

D302

GREEN

+V

LED_2

R305

1k

S1

S2

R302

1k

MISO

MOSI

R303

1k

D310

RED

+V

LED_R

1

2

3

4

5

6

JP301

ISP

RESET

SCK

MOSI

MISO

+V

R310

1k

R103

33k 1%

R102

100k 1%

D102

1N5818

T101

BUZ11

L101

3,3uH

C103

10u

C104

10u

C105

10u

C106

10u

C107

10u

Z101

5V

R104

0,1R

C102

100u

+V

+5V

C101

100n

R101

10R

+5V

EXT 1

GND

2

CS

3

FB 4

SHDN

5

NC 6

NC 7

Vin

8

U101

MCP1650R-E/MS

SHDN

D101

*patrz tekst

T201

BC847

R309

10k

+V

LED_3

LED_4

LED_5

LED_6

LED_7

LED_8

MOSI

MISO

SCK

LED_1

LED_2

SHDN

LED_R

AKUM_V

CHARGE_V

CHARGE_OFF

RESET

V+ 1

V- 2

SP201

ASI30004097080M

C301

100n

C302

100n

+V

+V

C108

100n

C305

100n

C306

100n

GND

Uref

Uref

Rys. 2 Płytka w skali 50%

Rys. 1

54

E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h

Lipiec 2010

Lipiec 2010

POWER_CHARGING_V_FACTOR =

(R202+R203)/R203*Uref

POWER_BATTERY_V_FACTOR =

(R204+R205)/R205*Uref
gdzie Uref to napięcie odniesienia LM285Z,
czyli 1200mV. W zasadzie można zrezygno-
wać z lutowanie elementu D311 i wykorzystać
wewnętrzne napięcie odniesienia 1100mV.
Dokonując wstępnych pomiarów, kalibra-

cji i dobiera-
jąc zgodnie
z wynikami
wartości tych
stałych, można
o t r z y m a ć
zadowalające
rezultaty.

Mikrokontroler w zasadzie nie pełni

funkcji kluczowych, a jedynie pomocni-
cze. Można zrezygnować z jego lutowania.
Należy jednak zewrzeć linię SHDN prze-
twornicy do plusa zasilania. Prąd uzyski-
wany z ogniwa (teoretyczne maksimum to
108mA) nie powinien uszkodzić akumula-
tora na skutek przeładowania. Należy jed-

nak pamiętać, że praca przetwornicy może
spowodować ich rozładowanie do poziomu,
w którym staną się one bezwartościowe.
Gdyby jednak opisane urządzenie miało
służyć jedynie do ładowania akumulatora,
to w zasadzie wystarczą elementy SP201,
R201, T201, C202 i C201. Warto jednak
wykonać płytkę drukowaną, gdyż dzię-
ki temu montaż panelu słonecznego jest
znacznie prostszy.

Kupując diody LED, warto zaopatrzyć się

w diody hiperjasne, gdyż światło emitowane
przez te zwykłe jest praktycznie niewidoczne
w pełnym słońcu.

Jakub Borzdyński

[e-mail]

//power.h

#ifndef jb_power_h

#defi ne jb_power_h

//----------------------------

#defi ne sbi(p,b) p|=(1<<b) ;

#defi ne cbi(p,b) p&=~(1<<b) ;

#include <avr/io.h>

#include “delay.h”

//”konfi guracja” akumulatora

//-------------------------------------

//progi wyladowania akumulatora [mV]

#defi ne POWER_BATTERY_LEVELS 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4200, 4300,

4500

//napiecie, przy jakim rozpoczyna sie ³adowanie akumulatora

[mV]

#defi ne POWER_BATTERY_CHARGING_VOLTAGE 4200

//napiecie, przy jakim nasteuje odlaczenie przetwornicy [mV]

#defi ne POWER_BATTERY_CONVERTER_VOLTAGE 3000

//stale

#defi ne POWER_CHARGING_V_FACTOR 15834

//Uref [mV] * dzielnik

#defi ne POWER_BATTERY_V_FACTOR 6654

//Uref [mV] * dzielnik

//--------------------------------------

class

power

{

unsigned

int

batteryVoltage

;

//napiecie akumulatora

public

:

power

()

;

//konstruktor

//zwraca napiecie panelu fotowoltaicznego (w mV)

unsigned

int

getPhotoCellVoltage

()

;

//zwraca stopien naladowania akumulatora (w mV)

unsigned

char

getBatteryState

()

;

//kontroluje prace akumulatora

void

doWork

()

;

//steruje przetwornica (wl/wyl)

void

setStepUpConverter

(

bool

state

)

;

//sprawdz, czy przetwornica jest wlaczona

bool

getStepUpConverter

()

;

}

;

extern

power pwr

;

#endif

Listing 1

R101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10Ω 1206
R102,R202,R204 . . . . . .100kΩ 1% 0805
R103 . . . . . . . . . . . . . . . 33kΩ 1% 0805
R104 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1Ω 1206
R201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330Ω
R203 . . . . . . . . . . . . . . 8,2kΩ 1% 0805
R205 . . . . . . . . . . . . . . . 22kΩ 1% 0805
R301-R308,R310. . . . . . . . . . 1kΩ 0805
R309 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10kΩ 0805
R311 . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,3kΩ 0805
C101,C108,C202,C301-C306 . . .100nF 0805
C102,C201 . . . . .100μF tantalowy SMD
C103-C107 . . . . . .10μF tantalowy SMD

D101 . . . . . . . . . . . . . . . . . .* patrz tekst
D102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N5818
D301-D308 . . . . . . . . . . . . . LED GREEN
D310 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED RED
D311 . . . . . . . . . . . . . . . . . LM285Z-1.2
T101 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BUZ11
T201 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC847
U101 . . . . . . . . . . . . . MCP1650R-E/MS
U301 . . . . . . . . . . . . . . . . . .ATmega48V
JP301 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ISP
L101 . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3μH SMD
SP201 . . . . . . . . . . .ASI30004097080M
Z101,Z201. . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2
ZW1-ZW6 . . . . . . . . . . . . . . . .0Ω 1206

Wykaz elementów

Płytka drukowana jest do stęp na

w sie ci han dlo wej AVT ja ko kit szkol ny AVT-2944.

R E K L A M A