I computer monoscheda a basso costo come ad esempio gli ultimi Raspberry Pi 3 sono sempre più utilizzati in progetti embedded senza GUI (headless) per applicazioni di monitoraggio e controllo. Sviluppare applicazioni in un linguaggio di alto livello per l’esecuzione su una distribuzione Linux con connettività wireless integrata sulla scheda sta aprendo nuovi modi per sviluppare e distribuire applicazioni innovative.
Fornire energia a queste schede è divenuto abbastanza semplice grazie ai diffusissimi caricabatteria per cellulari a 5 V, ma l’interesse per l’utilizzo di energia raccolta dall’ambiente è sempre più vivo. Questa soluzione infatti, offre grande libertà a quei progettisti che desiderano posizionare le schede in aree non facilmente raggiungibili dalle linee elettriche. I requisiti di potenza di queste schede sono tali che impediscono di usare batterie ricaricabili senza una sorgente di alimentazione esterna, che potrebbe essere costituita da celle solari.
Sta diventando sempre più fattibile l’uso di celle solari per alimentare questi computer embedded in sistemi che non richiedono uno schermo. Grazie al fatto che il consumo energetico dei dispositivi su scheda è in continua diminuzione e grazie al miglioramento dell’efficienza sia delle celle solari che dei chip di gestione energetica, oggi è possibile usare celle solari per alimentare direttamente la scheda e fornire la carica di mantenimento al sottosistema batteria. Con questa soluzione è possibile alimentare un SBC e un collegamento di comunicazione tramite batteria per mesi se non per anni.
Il Raspberry Pi 3 derivato dal Raspberry Pi è una pietra angolare su questa strada, dato che integra su scheda funzioni sia Wi-Fi che Bluetooth assieme a un processore quad core ARM® Cortex®-A53 a 1,2 GHz. In tal modo si evita il consumo energetico superiore che si avrebbe usando un adattatore wireless attraverso la porta USB. La specifica della scheda indica che lavora con una corrente massima di 2,4 A per supportare le periferiche sulle porte USB.
Il consumo della scheda è di 31 mA in stato di inattività, di 580 mA con processore e memoria sotto carico. L’altro carico di corrente è il controller USB SMSCLAN9514 che utilizza 74 mA in modalità di sospensione. I 594 mA della connessione Ethernet sono normalmente irrilevanti dato che possono essere forniti dal cavo Ethernet.
Il consumo energetico della connessione wireless dipende dal ciclo di lavoro impostato e dovrebbe essere programmato per avviarsi dopo la scheda principale per evitare alti requisiti di corrente di picco.
In tal modo, la corrente per la fase di avviamento di circa 700 ~ 900 mA e un consumo di circa 150 mA in modalità di inattività, richiedono supporto da una fonte di energy harvesting.
Tale alimentazione può essere fornita da una serie di pannelli come i MIKROE-651 di MikroElektronika. I pannelli erogano 4 V a 100 mA, e con nove pannelli in parallelo di 70 x 65 mm, si garantisce la corrente di avviamento. In alternativa, il pannello di 150 x 37mm AM-5902 di Panasonic eroga fino a 60 mA; tre pannelli sono sufficienti per soddisfare i requisiti di corrente per la modalità di inattività.
Con due pannelli che garantiscono la corrente necessaria per la modalità di inattività, è evidente che occorre un’alimentazione ausiliaria a batteria ricaricabile e un sottosistema di gestione energetica. Questi pannelli possono poi essere usati come carica di mantenimento della batteria per supportare l’uso di picco della scheda quando raccoglie dati o li invia al gateway.
Il sottosistema batteria può essere gestito da un dispositivo come bq25504 di Texas Instruments. Questo viene usato per la ricarica e la protezione da sottoscarica della batteria quando scende la corrente proveniente dalle celle; inoltre può gestire le fluttuazioni della sorgente costituita da dispositivi di energy harvesting.
Per fornire i 5 V necessari al computer monoscheda, vengono collegati in parallelo due pannelli solari a loro volta collegati a una batteria ricaricabile che fornirà la corrente adeguata.
Questa funzione richiede un convertitore step-up o step-down in modo commutazione e un caricabatteria, oltre alla batteria stessa. Il convertitore assicura che tutta l’energia proveniente dai pannelli possa essere catturata dalla batteria, collegando un induttore alla fonte di alimentazione e consentendo l’accumulo di corrente dell’induttore che immagazzina energia. Nel secondo ciclo, un cambio del percorso della corrente permette all’induttore di trasferire la sua energia accumulata al carico. La tensione al carico può essere superiore o inferiore a quella della sorgente di alimentazione all’induttore.
Tuttavia, il collegamento diretto dell’induttore al pannello solare è inefficiente, di conseguenza si usa un condensatore. Monitorando la tensione attraverso il condensatore, il convertitore in modo commutazione può essere attivato quando l’uscita del pannello è al suo picco. Il condensatore raccoglie l’energia dalle celle anche quando la tensione di uscita non è sufficientemente alta per avviare il convertitore, il che permette di raccogliere e immagazzinare tutta l’energia.
Ciò significa che il convertitore funziona in modalità burst quando la carica nel condensatore è sufficiente, permettendo in tal modo la ricarica rapida della batteria. Tuttavia la terminazione della carica rapida può essere difficile dato che non si sa quando arriverà il successivo burst di energia.
Un approccio è quello di monitorare la tensione di uscita con un altro comparatore, disabilitando la commutazione quando la tensione raggiunge il limite superiore e abilitandola quando la tensione scende sotto un determinato livello.
Il dispositivo bq25504 è progettato specificamente per acquisire e gestire in modo efficiente l’uscita delle celle solari usando un caricabatteria e un convertitore boost altamente efficienti. Il dispositivo si avvia con un convertitore boost/caricabatteria c.c./c.c. che richiede solo qualche microwatt di potenza dalle celle per cominciare a funzionare e quindi può estrarre energia in modo efficiente.
Un circuito tipico è mostrato nella Figura 3, dove si collega un pannello solare a bq25504 e un sottosistema batteria per raccogliere la corrente per alimentare la scheda. bq25504 usa un’uscita di monitoraggio della batteria che può essere collegata ai pin I/O per uso generale della scheda Raspberry Pi 3. bq25504 è montato su una scheda di valutazione illustrata nella Figura 4 che può essere utilizzata per garantire il collegamento tra le celle solari e la batteria.
Quando l’uscita del convertitore boost, VSTOR, raggiunge 1,8 V per alimentare il convertitore, il convertitore boost principale può quindi estrarre in modo più efficiente l’energia dalle celle solari. Inizia a funzionare con una VIN_DC di soli 330 mV (tipici) e, quando VSTOR raggiunge 1,8 V, può continuare a raccogliere energia fino anche a VIN_DC ≃ 120 mV. Anche il convertitore buck PFM integrato è alimentato da VSTOR e, presumendo che sia disponibile sufficiente potenza in ingresso, eroga fino a 100 mA dal pin V-OUT.
Uno degli elementi chiave del convertitore è l’inseguimento del punto di massima potenza (MPP) delle celle solari. MPP varia con la quantità di luce che colpisce il pannello e con la temperatura e implementa anche una rete di campionamento programmabile con inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) per ottimizzare il trasferimento di potenza nel dispositivo. bq25504 campiona periodicamente la tensione di ingresso del circuito aperto ogni 16 secondi disabilitando il convertitore boost per 256 ms; inoltre immagazzina il rapporto MPP programmato della tensione OC sul condensatore di riferimento esterno (C2) in VREF_SAMP. Tipicamente, le celle solari sono al loro MPP quando caricate all’80% circa della tensione di uscita e mentre la batteria è sotto la tensione massima programmata dall’utente (VBAT_OV), il caricatore rapido carica le celle solari fino a che VIN_DC non raggiunge la tensione MPP. Il caricatore rapido regola quindi la tensione di ingresso del convertitore fino a che l’uscita non raggiunge VBAT_OV, trasferendo la massima quantità di potenza alla batteria. Quest’ultima viene quindi utilizzata per fornire l’alimentazione richiesta dalla scheda.
Conclusione.
Il collegamento di un computer monoscheda a 5 V con connettività wireless integrata, come il Raspberry Pi 3 a celle solari richiede una batteria intermedia e un sottosistema di gestione energetica per garantire la corrente stabile necessaria. Usando un dispositivo come bq25504 si garantisce l’inseguimento del punto di massima potenza per assicurare l’ottimizzazione della carica della batteria e fornire una linea di controllo verso la scheda. Questo sistema consente di usare la scheda in zone in cui l’elettricità non è disponibile, ma con l’esigenza di rimandare comunque i dati alla rete.
Di Redattori europei
Contributo di Editori europei di Digi-Key.
