Cómo usar las celdas solares para alimentar la computadora de placa única Raspberry Pi 3

Las computadoras de placa única y asequibles como la última Raspberry Pi 3 se usan cada vez más en diseños integrados y sin cabeza para monitorear y controlar aplicaciones. El desarrollo de aplicaciones en un lenguaje de alto nivel que funciona en una distribución de Linux con conectividad inalámbrica integrada en la placa está abierta a nuevas maneras de desarrollar y ofrecer aplicaciones innovadoras.

Suministrar energía a estas placas ha sido relativamente simple a través de los cargadores de teléfonos móviles generales de 5 V, pero hay mayor interés en usar energía recolectada del medio ambiente también. Esto ofrece mayor flexibilidad a los diseñadores de sistema para colocar placas en ubicaciones donde no llegan las líneas eléctricas. Los requisitos de alimentación de estas placas son tales que las baterías recargables no son viables sin una fuente de alimentación externa, que se puede brindar mediante celdas solares.

El uso de celdas solares para alimentar computadoras integradas de placa única es cada vez más viable para sistemas que no requieren una pantalla. Como el consumo de energía de los dispositivos en las placas ha disminuido y la eficiencia de celdas solares y los chips de administración de energía han aumentado, existe la posibilidad de usar las celdas para alimentar la placa directamente y realizar una carga de mantenimiento de un subsistema de la batería. Esto permite que la batería alimente un computadora de placa única y la conexión de comunicación durante meses o incluso años.

Raspberry Pi 3 de Raspberry Pi es una pieza clave de este proceso, ya que integra las capacidades Wi-Fi y Bluetooth en la placa junto con un procesador quad core ARM® Cortex®-A53 de 1.2 GHz. Esto evita un consumo mayor de energía de usar un adaptador inalámbrico a través del puerto USB. La placa está diseñada para funcionar con la máxima corriente de 2.4 A y para admitir periféricos en los puertos USB.

El consumo de energía de la placa es 31 mA en modo de reposo, que asciende a 580 mA bajo carga para el procesador y la memoria. La otra carga de corriente es el controlador USB SMSCLAN9514 que utiliza 74 mA en modo suspendido. Los 594 mA para la conexión Ethernet son poco relevantes, ya que la alimentación se puede suministrar junto con un cable Ethernet.

Figura 1: La placa Raspberry Pi 3 de Raspberry Pi integra la conectividad inalámbrica.

El consumo de energía de la conexión inalámbrica depende del ciclo de trabajo que se establece y esto se debe programar para que se encienda después de la placa principal para evitar el requisito de un pico de corriente demasiado alto.

Esto determina el requisito de alimentación para el encendido de alrededor de 700 mA a 900 mA y una potencia en modo de reposo de alrededor de 150 mA que debe proporcionar una fuente de recolección de energía.

Este suministro se puede lograr mediante una serie de paneles como MIKROE-651 de MikroElektronika. Estos paneles ofrecen una salida de 4 V a 100 mA, por lo que se permiten hasta nueve paneles, cada uno mide de 70 x 65 mm y se colocan en paralelo para suministra la corriente de arranque. De forma alternativa, AM-5902 de 150 x 37 mm de Panasonic ofrece hasta 60 mA, que requeriría tres paneles para mantener los requisitos de alimentación en modo de reposo.

Figura: panel solar AM-5902 de Panasonic

Si bien dos de estos paneles ofrecerán energía en modo de reposo, esto demuestra la necesidad de contar con un respaldo de batería recargable y un subsistema de administración de energía. Los paneles se pueden usar para realizar una recarga de mantenimiento para soportar el uso pico de la placa al recolectar datos o enviar los datos a una puerta de enlace.

El subsistema de baterías recargables se puede administrar mediante un dispositivo, tales como bq25504 de Texas Instruments. Esto se utiliza para cargar la batería y evitar su descarga cuando la fuente de corriente de las celdas decae y puede administrar las fuentes de fluctuación como los dispositivos de recolección de energía.

Para ofrecer los 5 V requeridos para la computadora de placa única, los dos paneles solares están conectados en paralelo y a una batería recargable para ofrecer la corriente requerida.

Esto requiere un convertidor elevador o reductor de modo de conmutación y cargador de batería además de la batería. El convertidor asegura que la batería puede captar toda la energía de los paneles al conectar un inductor a una fuente de alimentación, permitiendo la acumulación de corriente del inductor que almacena energía en el inductor. En el segundo ciclo, un cambio en el trayecto de corriente permite que el inductor transfiera la energía acumulada a la placa. El voltaje de carga puede ser superior o inferior que el de la fuente de alimentación del inductor.

Figura 3: conexión del chip de gestión de energía bq25504 a una batería y a paneles solares

No obstante, la conexión del inductor directamente a un panel solar es ineficiente, por lo que se usa un capacitor. Al monitorear el voltaje en el capacitor, el convertidor de modo de conmutación se puede activar cuando la salida del panel está en su pico. El capacitor también recolecta energía de las celdas cuando el voltaje de salida no es lo suficientemente alto para encender el convertidor, permitiendo que toda la energía se pueda recolectar y almacenar.

Esto significa que el convertidor opera en ráfagas cuando hay carga suficiente en el capacitor, por lo que se permite una carga rápida de la batería. No obstante, terminar una carga rápida puede ser difícil, ya que no hay indicio cuando vendrá la próxima ráfaga de energía.

Un método es monitorear el voltaje de salida con otro comparador, deshabilitando la conmutación cuando el voltaje alcanza un límite alto y habilitándola cuando el voltaje disminuye por debajo del nivel predeterminado.

Bq25504 está especialmente diseñado para adquirir y administrar la salida de forma eficiente de las celdas solares usando un convertidor elevador de alta eficiencia y el cargador. El dispositivo comienza con un convertidor/cargador elevador de CC-CC que requiere solo microvatios de las celdas para comenzar a operar y luego podrán extraer la energía de manera eficiente.

Un circuito típico se muestra en la figura 3, donde se conecta un panel solar a un bq25504 y un subsistema de baterías para recolectar la corriente para alimentar la placa. Bq25504 utiliza una salida de monitoreo de batería que se puede conectar a los pines de ES generales de la placa Raspberry Pi 3. Bq25504 está montado en la placa de evaluación que se muestra en la figura 4 que se puede usar para ofrecer la conexión entre las celdas solares y la batería.

Una vez que la salida del convertidor elevador, VSTOR, alcanza 1.8 V para alimentar el convertidor, el convertidor elevador principal ahora puede extraer energía de manera más eficiente de las celdas solares. Arranca con VIN_DC a tan solo 330 mV típico y una vez que el VSTOR alcanza 1.8 V, puede continuar recolectando energía a VIN_DC ≃ 120 mV. El convertidor reductor PFM integrado también se alimenta desde VSTOR, siempre que haya disponible una cantidad suficiente de energía, proporciona hasta 100 mA del pin V_OUT.

Figura 4: La placa de evaluación bq25504 se puede utilizar para alimentar una placa Raspberry Pi 3 con celdas solares.

Un elemento clave del convertidor es el rastreo del punto de potencia máxima (MPP) de las celdas solares. Este MPP varía con la cantidad de luz en el panel y con la temperatura, e implementa una red de muestreo del rastreo de punto de potencia máxima programable para optimizar la transferencia de energía en el dispositivo. Bq25504 periódicamente toma muestras del voltaje de entrada de circuito abierto cada 16 segundos al deshabilitar el convertidor elevador para 256 ms y almacena el ratio de MPP programable del voltaje OC en el capacitor de referencia externa (C2) a VREF_SAMP. Las celdas solares generalmente están en su MPP cuando se cargan a alrededor del 80% de su voltaje de salida mientras la batería está por debajo del voltaje máximo programado por el usuario (VBAT_OV), el cargador elevador carga las celdas solares hasta que VIN_DC alcanza el voltaje MPP. El cargador elevador regula el voltaje de entrada del convertidor hasta que la salida alcanza VBAT_OV, por lo que se transfiere la cantidad máxima de energía a la batería. Esto se usa luego para proporcionar la energía que la placa requiere.

Conclusión

La conexión de una computadora de placa única de 5 V con conectividad inalámbrica integrada, como el Raspberry Pi 3, a una celda solar requiere una batería intermedia y un subsistema de gestión de energía para ofrecer la corriente estable que se necesita. Usar un dispositivo como el bq25504 ofrece el rastreo del punto de energía máximo para garantizar que la carga de la batería está optimizada y ofrece una línea de control a la placa. Esto permite utilizar la placa en áreas donde la energía no está disponible y aún suministra datos a la red.