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太陽能電池為傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供源源不絕的電力

發(fā)布時(shí)間:2023-03-01 來源:艾睿電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用中,都需要廣泛地布建各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,而這些設(shè)備若采用一般電池供電,便會(huì)有更換電池的問題,若能夠采用太陽能電池供電,便可以省去更換電池的麻煩,使其實(shí)用性大幅提高。本文將為您介紹太陽能電池的發(fā)展,以及由安森美(onsemi)所推出的太陽能電池多傳感器平臺(tái)的功能與特色。


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太陽能電池技術(shù)發(fā)展快速


太陽能發(fā)電是一種可再生的環(huán)保發(fā)電方式,其發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體,因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,是當(dāng)前最受歡迎的可再生能源發(fā)電方式之一。太陽能電池(solar cell)則是一種將太陽光通過光生伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)成電能的設(shè)備,是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片,又稱為“太陽能芯片”或“光電池”,它只要被滿足一定照度條件的光照度,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。


簡(jiǎn)單的說,太陽光電的發(fā)電原理,是利用太陽電池吸收0.4μm~1.1μm波長(zhǎng)(針對(duì)硅晶)的太陽光,將光能直接轉(zhuǎn)變成電能輸出的一種發(fā)電方式。由于太陽電池產(chǎn)生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉(zhuǎn)換器,換成交流電,才能供電至家庭用電或工業(yè)用電。


太陽能電池在消費(fèi)性商品上大多有充電上的問題,過去一般的充電對(duì)象采用鎳氫或鎳鎘干電池,但是鎳氫干電池?zé)o法抗高溫,鎳鎘干電池有環(huán)保污染的問題。目前超級(jí)電容發(fā)展快速,容量超大,面積反而縮小,加上價(jià)格低廉,因此有部份太陽能產(chǎn)品開始改采用超級(jí)電容為充電對(duì)象,因而改善了太陽能充電的許多問題。


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太陽能電池解決設(shè)備的供電問題


在智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用中,得利用各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備,來進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的搜集與傳送,這些設(shè)備通常得利用電池或是市電進(jìn)行供電,這對(duì)布建這些設(shè)備時(shí)帶來不少困擾,畢竟這些設(shè)備可能得布建在市電不易到達(dá)的戶外,若采用一般電池供電,就算設(shè)備極為省電,仍終有電池電量耗盡的時(shí)候,此時(shí)必須耗費(fèi)人力與時(shí)間來進(jìn)行電池更換工作,這對(duì)這些設(shè)備布建的實(shí)用性,帶來相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。


太陽能電池則將可解決這些傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的供電問題,只需要太陽能板可以接收到陽光,便可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,并將多余的電力儲(chǔ)存在電池之中,以便在夜間持續(xù)給設(shè)備供電。如此一來,這些設(shè)備便不再有供電上的問題,將可大幅節(jié)省智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用的建置成本。


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無需電池的太陽能電池多傳感器平臺(tái)


針對(duì)太陽能電池應(yīng)用,安森美推出了RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)(RSL10-SOLARSENS-GEVK),這是一個(gè)可用于智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0垂直領(lǐng)域的無電池物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的綜合開發(fā)平臺(tái),是一套完整的低成本解決方案,可用于開發(fā)使用收集太陽能自供電的傳感器節(jié)點(diǎn)。它是基于RSL10 SIP(System?in?Package)這套業(yè)界功耗最低的Bluetooth? 5無線電,RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)支持無需任何電池,便可以連續(xù)BLE(Bluetooth Low Energy,低功耗藍(lán)牙)來傳輸傳感器信息,這個(gè)完全集成的平臺(tái)具有多個(gè)用于環(huán)境和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的智能傳感器,包括一個(gè)超低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器(NCP170)和一個(gè)用于太陽能電池的2端口連接器,還包括一個(gè)低重量、薄型47 μF存儲(chǔ)電容器,以及一個(gè)編程和調(diào)試接口,和一個(gè)連接的太陽能電池。


由于該平臺(tái)可從低電流源獲取能量,因此在運(yùn)行和待機(jī)期間盡量減少整個(gè)系統(tǒng)的泄漏將非常重要,與其他節(jié)能器件一起,電路板上的超低靜態(tài)電流LDO(NCP170)可顯著減少泄漏,在待機(jī)模式下功耗為55 nw,Rx為10 mW,Tx為0 dbm,可支持Beacon(信標(biāo))和遙測(cè)傳輸,并可使用帶有Arm? Cortex?調(diào)試連接器(10針)適配器的SEGGER J-Link進(jìn)行完全重新編程,具有超低泄漏、自適應(yīng)占空比(傳輸能量可用性的自我檢測(cè)),以及雙太陽能電池接口(通孔焊線或ZIF接口)。


RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)搭配多款超低功耗智能傳感器,包括具有寬溫度范圍(-40至125℃)的低電壓、高精度溫度傳感器(NCT203),以及組合式數(shù)字濕度、壓力和溫度傳感器(BME280),還有具有集成喚醒和睡眠功能的智能3軸超低功耗加速度計(jì)(BMA400),可預(yù)刷交織的Beacon固件,包括Eddystone TLM Beacon,支持廣播存儲(chǔ)電容器電壓電平、溫度、自上電以來的時(shí)間和自上電以來的廣告數(shù)據(jù)包,可兼容BLE Scanner應(yīng)用程序(iOS?或Android?),也可支持自定義環(huán)境服務(wù)Beacon,支持廣播溫度、濕度和壓力,還在B-IDK CMSIS-Pack中提供了軟件庫和示例,可支持廣泛的照明條件(人造光或太陽光,低至180勒克斯)。


該板由太陽能電池供電,默認(rèn)使用的太陽能電池是Panasonic Amorton AM?1522,其典型工作電壓為3 V。該電路由3 V鉗位保護(hù),工作域?yàn)?.6 V至2.65 V,當(dāng)?shù)陀?.6 V時(shí)不允許傳輸,器件正在收集能量;當(dāng)電壓高于2.65 V時(shí),器件開始運(yùn)行,并將能量緩沖耗盡至1.6 V。


RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)可廣泛地應(yīng)用于智能家居/建筑、環(huán)境傳感(加熱/冷卻、空氣質(zhì)量)、入侵檢測(cè)、環(huán)境和氣候控制、工業(yè)4.0/智慧城市、工人安全和跌倒檢測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、煙霧探測(cè)、移動(dòng)個(gè)人護(hù)理、集成/便攜式傳感器、智能安全頭盔(自行車、摩托車)等領(lǐng)域。


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多款低功耗器件與開發(fā)工具構(gòu)建開發(fā)平臺(tái)


RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái)采用多款重要的器件,包括由安森美推出的RSL10無線射頻收發(fā)器是一款無線電SoC,支持Bluetooth? 5.2認(rèn)證,與SDK 3.7,RSL10可為無線應(yīng)用帶來超低功耗BLE,支持高級(jí)無線功能,同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)尺寸和電池壽命。高度集成的無線電SoC采用雙核架構(gòu)和2.4 GHz收發(fā)器,可靈活支持BLE和2.4 GHz自定義協(xié)議。RSL10的軟件開發(fā)套件(SDK)可通過利用來自Blinky的方便用于抽象、驅(qū)動(dòng)程序和示例應(yīng)用程序,來實(shí)現(xiàn)超低功耗BLE應(yīng)用的快速開發(fā),以完成BLE外圍設(shè)備,以及介于兩者之間的所需工具。


其SDK的主要功能包括基于Eclipse?的免費(fèi)onsemi IDE,以及對(duì)Keil μVision?和IAR Embedded Work Bench?的支持,具有完整的BLE協(xié)議棧,并帶有Android?和iOS應(yīng)用程序的FOTA(無線固件),與支持FreeRTOS?。


在智能傳感器方面,包括Bosch Sensortec的BMA400三軸加速度傳感器是第一款真正的超低功耗加速度傳感器。因此,BMA400特別適用于需要持久電池壽命的可穿戴設(shè)備。此外,它還是智能家居應(yīng)用的理想解決方案,例如智能室內(nèi)氣候系統(tǒng)和智能家居安全系統(tǒng)。通過區(qū)分危急情況和錯(cuò)誤信號(hào),新的加速度傳感器可避免錯(cuò)誤警報(bào)。


來自Bosch Sensortec的BME280則是一款可測(cè)量相對(duì)濕度、大氣壓力和環(huán)境溫度的濕度傳感器,是專為尺寸和低功耗是關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的移動(dòng)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備而開發(fā)。該器件結(jié)合了高線性度和高精度傳感器,非常適合低電流消耗、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高EMC穩(wěn)固性。該濕度傳感器可提供極快的響應(yīng)時(shí)間,因此支持新興應(yīng)用的性能要求,例如情境感知和在寬溫度范圍內(nèi)提供高精度感測(cè)。


來自安森美的NCT203溫度傳感器則是一款數(shù)字溫度計(jì)和低溫/超溫報(bào)警器,旨在用于需要低功耗和尺寸的熱管理系統(tǒng)。NCT203可在1.4 V至2.75 V的電源范圍內(nèi)工作,使其可用于包括低功率設(shè)備在內(nèi)的廣泛應(yīng)用。


安森美的NCP170線性穩(wěn)壓器(LDO)系列CMOS低壓差穩(wěn)壓器,是專為需要超低靜態(tài)電流的便攜式電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。典型值的500 nA超低功耗,可確保較長(zhǎng)的電池壽命,動(dòng)態(tài)瞬態(tài)升壓功能可改善無線通信應(yīng)用的設(shè)備瞬態(tài)響應(yīng)。該器件采用小型1 × 1 mm xDFN4、TSOP5和SOT-563封裝。


結(jié)語


近年來,太陽能電池的發(fā)展速度越來越快,充電的速度越來越快,壽命越來越長(zhǎng),充電溫度范圍更廣,并可減少太陽能電池用量(可低壓充電),使其實(shí)用性大幅提高。本文介紹的安森美RSL10太陽能電池多傳感器平臺(tái),搭配太陽能電池,將可為各種傳感器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供源源不絕的電力,解決智能建筑、智能家居和工業(yè)4.0等應(yīng)用的設(shè)備供電問題,其市場(chǎng)與應(yīng)用將極具發(fā)展空間,值得有興趣的朋友進(jìn)一步了解。



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