SONČNO CELICO ZA UPORABO V MINIATURNI IOT SENZORSKI

(1)

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

DARJO URŠIČ

MINIATURNI IOT SENZORSKI SISTEM NAPAJAN S PEROVSKITNO SONČNO

CELICO ZA UPORABO V ZAPRTIH PROSTORIH

Magistrsko delo

Magistrski študijski program druge stopnje Elektrotehnika

Mentor: doc. dr. Matija Pirc

Ljubljana, 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

Zahvala

Zahvalil bi se staršem, da so mi omogočili kvalitetno študijsko okolje, mentorju doc. dr. Matiji Pircu za vso pomoč in potrpežljivost tekom naloge, ter vsem, ki so kadarkoli verjeli vame, ter me spodbujali.

(6)

vi Zahvala

(7)

Povzetek

Perovskitne sončne celice (PSC) so tehnologija sončnih celic, ki se v zadnjih letih najhitreje razvija. V zelo kratkem času so bile dosežene učinkovitosti pretvorbe nad 25%, kot zelo učinkovita se je pa pokazala tudi njihova integracija s silicijevimi celicami v tandemske sončne celice. Kljub potencialu, ki ga imajo, pa zaenkrat zaradi slabše stabilnosti pod zunanjimi pogoji večinoma ostajajo omejene na uporabo v laboratorijih in v okviru mer, ki ne presegajo nekaj kvadratnih centimetrov. V izogib zgornjim izzivom se je pojavila nišna aplikacija uporabe PSC v notranjih prostorih za napajanje različnih naprav, med drugim tudi v napravah interneta stvari (ang. Internet of Things, IoT). V ta namen je poleg učinkovite sončne celice potrebna tudi zmogljiva elektronika z nizko porabo.

V nalogi prikažemo komercialno ugodno elektronsko vezje za črpanje energije iz ene same PSC in spremljanje njenih parametrov. Z uporabo zadnjih standardov Bluetootha in varčnih integriranih vezij smo zmanjšali povprečno porabo pod 10 µA. Tako nizka poraba omogoča uporabo superkondenzatorjev za shranjevanje energije namesto sicer uveljavljenih Li-ion baterij, kar omogoča poenostavitev sistema. Uresničljivost koncepta smo demonstrirali z razvojem samozadostne naprave IoT, ki se napaja iz ene same laboratorijske PSC in skladišči energijo v superkondenzatorju. Z napravo merimo intenziteto svetlobe v prostoru in parametre sistema, ki so posredovani oddaljenemu sprejemniku in se tam zbirajo. Izkoriščanje Bluetooth Low Energy (BLE) promocijskih kanalov omogoča učinkovito enosmerno brezžično komunikacijo, ki ima doseg do nekaj 10 m in omogoča večdnevno delovanje brez energije sonca, ko je superkondenzator do konca napolnjen.

Prototip dokazuje, da današnje laboratorijske PSC že omogočajo izgradnjo avtonomnih senzorjev z brezžično komunikacijo. Dobri izkoristki celic že pri zelo majhnih površinah omogočajo generiranje dovolj energije tudi v zaprtih prostorih. S primerno zasnovo elektronike lahko tako dosežemo dolgotrajno delovanje z zelo malo energije, s čimer omogočimo praktično aplikacijo perovskitnih sončnih celic za avtonomno napajanje IoT naprav v zaprtih prostorih.

Ključne besede: perovskitne sončne celice, internet stvari, črpanje energije, Bluetooth, superkondenzatorji

(8)

viii Povzetek

(9)

Abstract

Perovskite solar cells (PSC) are the fastest-growing solar cell technology in recent years. A remarkable power conversion efficiency (PCE) above 25% has been reached in a very short time, while at the same time perovskite are also compatible with silicon technology to form tandem solar cells. Despite their potential, due to stability concerns they mostly remain limited to laboratory use and within dimensions not exceeding a few square centimetres. As a solution to the above challenges, a niche application to use PSC to power indoor electronics, such as devices for Internet of things (IoT), has arisen. Besides the excellent PCE of these cells, also an efficient, low-power electronics is required.

In this paper, we present a commercially viable electronic circuit for harvesting energy from a single PSC and monitoring its parameters. Use of the latest Bluetooth standards and efficient integrated circuits can lower average consumption below 10 µA. This allows the use of supercapacitors for energy storage instead of the otherwise established Li-ion batteries, which simplifies the system. The feasibility of the concept was demonstrated by the development of a self-sufficient IoT device that is powered by a single laboratory PSC and stores energy in a supercapacitor. The device measures the intensity of light in the room and the parameters of the system, which are transmitted to the remote receiver and recorded there. Exploiting Bluetooth Low Energy (BLE) promotional channels enables efficient one-way wireless communication with a range of up to a few tens of meters and allows a few days of uninterrupted operation without solar energy when the supercapacitor is fully charged.

The prototype shows that today’s laboratory PSCs already allow the construction of autonomous sensor nodes with wireless communication. The good cell efficiency enables the generation of sufficient energy even indoors with quite small solar cells. By suitable design of electronics, long-term operation with very little energy can be achieved, enabling the practical application of perovskite solar cells to autonomously power IoT devices intended for indoor operation.

Key words: perovskites, Internet of Things, Energy harvesting, Bluetooth, supercapacitors

(10)

x Abstract

(11)

Vsebina

Uvod ... 1

1 Pregled komponent merilnika IoT ... 3

2 2.1 Pregled brezžičnih tehnologij ... 4

2.2 Pregled mikrokrmilnikov ... 6

2.3 Pregled napajanja ... 8

Izgradnja merilnika IoT ... 15

3 3.1 Vodenje napetostnega dodajalnika ... 15

3.2 Merjenje točke maksimalne moči ... 22

3.3 Nadzornik napetosti ... 24

3.4 Merjenje okoljskih parametrov ... 25

3.5 Realizacija naprave ... 26

3.5.1 Končno vezje ... 26

3.5.2 Nadzornik funkcij ... 27

3.5.3 Signal PWM ... 29

3.5.4 Brezžična komunikacija ... 29

Rezultati ... 31

4 Zaključek ... 39

5 Literatura ... 41

Dodatek ... 45

(12)

xii Vsebina

(13)

Seznam slik

Slika 1: Potrjena rekordna PCE PSC, po letih od 2013 do 2021 [4]–[7]. ... 1 Slika 2: Blokovni diagram merilnika okoljskih parametrov s perovskitno sončno celico. ... 3 Slika 3: Kanali povezovalnega sloja Bluetooth Low Energy [22]. ... 5 Slika 4: Poraba mikrokmilnika nRF52832 med promoviranjem preko Bluetootha, podatkovnega paketa 31 B in oddajno močjo 0 dBm. ... 7 Slika 5: Funkcije napajalnega dela naprave. ... 8 Slika 6: Shema preprostega napetostnega dodajalnika. ... 9 Slika 7: Tok v mikrokrmilnik nRF52832, na nRF52-DK raziskovalni plošči, za napetosti pod delovno. ... 12 Slika 8: Testno napajalno vezje. ... 15 Slika 9: Merjenje karakteristike dodajalnika MAX17220. ... 16 Slika 10: Poraba napetostnega dodajalnika MAX17220, brez bremena, pri 1,8 V, 2 V in 3,3 V izhodne napetosti, v odvisnosti od napetosti na vhodu. ... 16 Slika 11: Izkoristek napetostnega dodajalnika MAX17220, z bremenom 43 kΩ, pri 1,8 V, 2 V in 3,3 V izhodne napetosti, v odvisnosti od napetosti na vhodu. ... 17 Slika 12: Vhodna (rumena) in izhodna (viola) napetost TNV, ob sinusnem reguliranju digitalnega potenciometra MCP4019. ... 17 Slika 13: Poraba dodajalnika MAX17220, brez bremena, v odvisnosti od vhodne in izhodne napetosti. ... 18 Slika 14: Območje dodajalnika MAX17220, brez bremena, z višjo (bela) in nižjo (siva) porabo, od 4 µW, v odvisnosti od vhodne in izhodne napetosti ... 19 Slika 15: Shema uporabljenega tokovnega zrcala, za simulacijo PSC. ... 19 Slika 16: Napetosti na napetostnem dodajalniku med nekontroliranim omogočanjem. Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja napetostnega dodajalnika (modra). ... 20 Slika 17: Napetosti na napetostnem dodajalniku med 6 ms intervalom omogočanja. Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja napetostnega dodajalnika (modra). ... 21

(14)

xiv Seznam slik

Slika 18: Vzdrževanje konstantne vhodne napetosti dodajalnika, z aktivnim omogočanjem.

Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja

napetostnega dodajalnika (modra). ... 21

Slika 19: Shema vezja za meritev I-U karakteristike PSC. ... 22

Slika 20: Shema vezja za merjenje intenzitete svetlobe, s pomočjo foto-diode. ... 25

Slika 21: Končno vezje. ... 26

Slika 22: Združen nRF52-DK in končno vezje. ... 27

Slika 23: Blokovni diagram delovanja nadzornika funkcij. ... 28

Slika 24: Perovskitna sončna celica, uporabljena za testiraje naprave. ... 31

Slika 25: Signali med računanjem I-U karakteristike. ... 32

Slika 26: Izmerjena I-U karakteristika, prebrana iz oddaljenega prikazovalnika. ... 32

Slika 27: Prikaz beleženja vhodne, izhodne in MPP napetosti, ter vrednosti senzorja foto- diode. ... 33

Slika 28: Izkoristek pri črpanju energije v kondenzator, med zagonom. Za napajanje je uporabljen konstantni tokovni vir. ... 34

Slika 29: Uspešen zagon sistema s praznimi kondenzatorji. Pri zagonu je uporabljen 1,1 V Napetostni vir, z 20 mA tokovno zaščito. ... 35

Slika 30: Kontrolirano črpanje energije iz vhodnega 1 F kondenzatorja, do 0,5 V. ... 35

Slika 31: Kontrolirano črpanje energije iz vhodnega 1 F kondenzatorja, do 0,6 V. ... 36

Slika 32: Napetost glavnega kondenzatorja (levo) in izračunanega toka skozenj (desno), v odvisnosti od časa, pred popolno izolacijo SoCa od razvojne ploščice. ... 37

Slika 33: Napetost glavnega kondenzatorja v odvisnosti od časa, brez dovajanja energije in brez merjenja MPP. ... 37

(15)

Seznam tabel

Tabela 1: Primerjava znanih brezžičnih tehnologij [11]–[20]. ... 4 Tabela 2: Pregled specifikacij produktov Nordic Semiconductor SoC s podporo BLE [24], [25]. ... 6 Tabela 3: Primerjava integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi pod 0,5 V [32]–[38]. ... 10 Tabela 4: Primerjava integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi od 0,5 V do 1 V [38]–[43]. ... 10 Tabela 5: Primerjava minimalne zagonske in minimalne delovne vhodne napetosti, integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi pod 0,5 V [32], [34]–

[37]. ... 11 Tabela 6: Pregled nekaterih nadzornikov napajanja [50]–[53]. ... 13

(16)

xvi Seznam tabel

(17)

Seznam uporabljenih simbolov

V zaključnem delu so uporabljene naslednje veličine in simboli:

Veličina / oznaka Enota

Ime Simbol Ime Simbol

tok 𝐼 amper A

bremenski tok 𝐼_bremenski amper A

tok iz kondenzatorja 𝐼kondenzatorja amper A

induktivnost 𝐿 henri H

napetost 𝑈 volt V

izhodna napetost 𝑈_izhodna volt V

vhodna napetost 𝑈_vhodna volt V

zagonska napetost 𝑈_zagonski volt V

napetost valovitosti 𝑈_valovitost volt V

napetostno dinamično območje 𝑈_območje volt V

delovni cikel 𝐷 - -

dolžina delovnega cikla 𝑇_PWM sekunda s

kapacitivnost 𝐶 farad F

čas t sekunda s

čas ustalitve 𝑡_ustalitve sekunda s

upornost R ohm Ω

upornost ob zagonu 𝑅_zagona ohm Ω

zaporedna upornost 𝑅_zaporedni ohm Ω

energija tuljave 𝐸_𝐿 džul J

(18)

xviii Seznam uporabljenih simbolov

(19)

Seznam kratic

V prihajajočem zaključnem delu so uporabljene naslednje kratice:

BLE ─ Bluetooth Low Energy PSC ─ perovskitna sončna celica SoC ─ sistem na čipu

MPP ─ točki maksimalne moči (ang. Maximum Power Point) IoT ─ internet stvari (ang. Internet of Things)

PCE ─ učinkovitost pretvorbe energije (ang. power conversion efficiency) TNV ─ testno napajalno vezje

ADC ─ analogno-digitalni pretvornik (ang. analog-to-digital converter) GND ─ zemlja (ang. ground)

VCC ─ skupna napetost kolektorja (ang. Common Collector Voltage) SDK ─ razvojno programska oprema (ang. Software development kit) RTC ─ ura v realnem času (ang real time clock)

USB ─ univerzalno serijsko vodilo (ang. Universal Serial Bus)

MOSFET ─ kovinsko oksidno-polprevodniško polje-odvisen tranzistor (ang. metal-oxide- semiconductor field-effect transistor)

(20)

xx Seznam kratic

(21)

Uvod 1

Leta 2009 so znanstveniki prvič sintetizirali perovskitno sončno celico (PSC), in sicer na bazi CH₃NH₃PbI₃ in CH₃NH₃PbBr₃, takrat s 3,81-odstotno učinkovitostjo pretvorbe energije (ang.

power conversion efficiency - PCE) [1]. Ime izhaja iz perovskitnih kristalnih struktur, s formulo ABX₃, ki tvorijo absorpcijsko plast sončne celice. Kljub nizki prikazani učinkovitosti znaša potencial PSC na osnovi CH₃NH₃PbI₃ do 20 % [2]. Izkoristek, sestava iz naravno bogatih elementov in enostaven nanos plasti so vzbudili precejšnje zanimanje za PSC.

Zadnjih nekaj let se strokovnjaki ukvarjajo z razumevanjem lastnosti perovskita, izpopolnjevanjem čistosti kristala in njegovo dolgotrajno vzdržljivostjo [3].

Slika 1, prikazuje uradno zabeležene rekordne izkoristke zadnjih let. PSC je tehnologija sončnih celic, ki se z do 10-odstotnimi letnimi preskoki najhitreje razvija [4]. Zadnji rekordni PCE tandemskih PSC znaša 26,4 % [5]. Čeprav so izkoristki rekordni, tehnološki procesi še ne dovoljujejo izgradnje velikih (> 1 cm²) perovskitnih plasti, z enako gostoto napak (ang.

defect density). Na osnovi novosti tematike in dosedanjega napredka lahko pričakujemo, da bo na tem področju dosežen še velik napredek. V prihodnjih letih se ocenjuje 30-odstotno PCE in izpopolnitev proizvodnih procesov [4].

Slika 1: Potrjena rekordna PCE PSC, po letih od 2013 do 2021 [4]–[7].

Kljub težnjam po velikih PSC v prihodnosti, že danes poznamo aplikacije za majhne vire, z močjo do nekaj µW. Razvoj perovskitov brez vsebnosti svinca [8] in celic prilagojenih črpanju energije v notranjih prostorih z PCE do 36,2 % pri nestandardnih pogojih [9], kažejo potencial v aplikacijah interneta stvari (ang. Internet of Things, IoT). Uporabnost PSC v IoT se že kaže v uporabi RFID senzorjev in komunikaciji na razdalji nekaj metrov [10]. V tej nalogi želimo povezati razvijajoče se PSC in IoT. Pokazali bi radi, da so PSC že tako razvite,

16,20

20,10 22,10 22,70 23,70 25,20 25,50

0,15 5,15 10,15 15,15 20,15 25,15 30,15

2013 2015 2016 2017 2018 2019 2020

PCE [%]

Leto

(22)

2 Uvod

da jih lahko praktično uporabljamo. Želimo raziskati in izdelati miniaturen merilnik okoljskih parametrov IoT, ki bi se napajal iz PSC. Zbrane podatke, skupaj s karakteristiko celice, pa želimo v brezžični obliki posredovati na oddaljen vmesnik, da bi prikazali delovanje in verifikacijo PSC.

(23)

Pregled komponent merilnika IoT 2

Ključna parametra za praktično uporabo merilnika sta velikost in cena implementacije.

Razpoložljiva energija sistema je pogojena z omejeno velikostjo PSC. Poudarek je na rešitvah, ki so kompaktne, cenene in energetsko učinkovite. Želeli bi si 24-urno delovanje, tudi v okolju, v katerem ni stalne svetlobne energije. To lahko dosežemo z napravo s tokovno porabo velikostnega razreda nekaj 10 µA.

Blokovni diagram načrtovane naprave prikazuje slika 2. Napajalno vezje drži PSC v točki maksimalne moči (angl. Maximum Power Point - MPP) in pridobljeno energijo skladišči v zalogovnik energije. Ko je nabrane dovolj energije, dovolimo vžig mikrokrmilnika. Ta periodično meri okoljske parametre in I-U karakteristiko PSC. Zbrane informacije preko brezžične komunikacije pošlje na oddaljen prikazovalnik.

Slika 2: Blokovni diagram merilnika okoljskih parametrov s perovskitno sončno celico.

(24)

4 Pregled komponent merilnika IoT

2.1 Pregled brezžičnih tehnologij

Za učinkovito delovanje potrebujemo brezžično tehnologijo, ki lahko prenaša manjšo količino podatkov med mikrokrmilnikom in prikazovalnikom. Tabela 1 prikazuje primerjavo karakteristik nekaterih znanih protokolov. Za to, da bi porabili čim manj energije na dosegu nekaj 10 m, sta najprimernejša Bluetooth in tehnologija Lora. Čeprav je Lora izredno učinkovita, pa ne konkurira starejšim tehnologijam, saj je njena implementacija bistveno dražja. To je razlog, da se bomo osredotočili na Bluetooth.

Tabela 1: Primerjava znanih brezžičnih tehnologij [11]–[20].

Brezžična tehnologija

Cena oddajnega

modula [€] Doseg Poraba med

oddajanjem

Podatkovni prenos [Mb/s]

Bluetooth Low

Energy 4 od 20 m do 300 m 30 mW 1

Bluetooth 4 od 20 m do 200 m 30 mW 1

Wi-Fi 6 1.8 W 11

Lora 20 do 48 km 30 mW 0.3

Tehnologijo Bluetooth vzdržuje skupina Bluetooth za posebne interese (ang. Special Interest Group), ki je trenutno opredeljena z revizijo 5.3 [21]. Njena učinkovitost je zagotovljena s fleksibilnostjo. Podpira dva načina delovanja, Bluetooth Low Energy (BLE) in Bluetooth Classic [12]. Slednji je primarni način, ki podpira komunikacijo od točke do točke, s hitrostjo do 3 Mb/s. Zardi popularnosti mobilnih naprav in težnjah po varčevanju z energijo je bil uveden dodatek BLE. Ta predstavlja dodatno funkcionalnost, ki omogoča še nižjo porabo.

Slika 3 prikazuje frekvenčne kanale tehnologije BLE. Unikatni so trije promocijski kanali (ang. Advertisment channels), namenjeni izključno javljanju prisotnosti in identifikacije (promoviranju) naprav BLE. Njihov namen je sporočati prisotnost, a dopuščajo tudi prenos dodatne informacije o stanju sporočevalca. To v BLE omogoča varčno, asinhrono, enosmerno komunikacijo definirano kot vlogo oddajnika (ang. Brodcaster role) [21, p. 1246].

Bluetooth spada pod osebna brezžična omrežja (ang. wireless personal area networks) z dosegom nekaj 10 m. Z revizijo 5.0 je omogočeno šifriranje standardnega BLE podatkovnega paketa na račun hitrosti prenosa [21, p. 219]. Tako imenovan Bluetooth z dolgim dosegom (ang. Bluetooth long range) obljublja doseg tudi čez 100 m, kar ga že uvršča med lokalna brezžična omrežja (ang. wireless local area networks) [11].

(25)

2.1 Pregled brezžičnih tehnologij 5

Slika 3: Kanali povezovalnega sloja Bluetooth Low Energy [22].

Zaradi konkurenčne cene implementacije, uveljavljenosti na tržišču, energetske varčnosti in velikega dosega, je Bluetooth najbolj primeren za našo aplikacijo IoT. V tej nalogi bomo raziskali energetsko varčnost BLE za komunikacijo senzorja s prikazovalnikom meritev.

(26)

2.2 Pregled mikrokrmilnikov

Mikrokrmilnik je ključni element, ki nadzoruje vse elemente naprave in jih povezuje v zaokroženo enoto. Je tudi najbolj kompleksna komponenta sistema. Njegovo delovanje je v večji meri odvisno od tega, v kolikšni meri smo ga sposobni izkoristiti. Da bi optimizirali možnost uspeha in zagotovili dolgo uporabo platforme, smo izkoristili najbolj razširjeno rešitev na trgu. Ker bi se radi izognili dodatnim členom naprave, si želimo sistem na čipu (ang. system on chip, SoC) z vgrajenim 2,4 GHz BLE oddajnikom. Po podatkih Zvezne komisije za komunikacije (ang. Federal Communication Commission) v ZDA, kar 45 % novo certificiranih naprav BLE vsebuje Nordic Semiconductor SoC [23]. V tabeli 1 so razvidni vsi produkti Nordic SoC, s podporo BLE in njihove osnovne specifikacije. Da bi dosegli zastavljeno porabo naprave, pričakujemo, da bo SoC večino svojega časa v mirovanju ali spanju. Iz tabele 2 lahko razberemo, da vse različice zlahka dosežejo porabo v rangu nekaj µA, kar je v skladu z našimi zahtevami.

Tabela 2: Pregled specifikacij produktov Nordic Semiconductor SoC s podporo BLE [24], [25].

SoC Cena [€] Maksimalna oddajna moč [dBm]

Bluetooth Long Range

Poraba oddajnika

[mA]¹

Poraba sistema v

mirovanju [µA]² RAM [kB]

nRF5340 10 +3 da 3,4 1,7 512 + 64

nRF52840 6 +8 da 4,8 3,42 256

nRF52833 4,3 +8 da 6 1,8 128

nRF52832 4,7 +4 ne 7,5 3,76/2,48 512/256

nRF52820 3,9 +8 da 4,9 2,6 32

nRF52811 3,3 +4 da³ 4,6 0,8 24

nRF52810 2,7 +4 ne 4,6 0,8 24

nRF52805 2,2 +4 ne 4,6 1,1 24

V času izdelave naloge smo čutili izjemen primanjkljaj integriranih vezij na tržišču. Zaradi časovnih omejitev, pri izdelavni naloge, in napovedi o dolgotrajnem pomanjkanju [26], smo izbrali SoC, ki nam je lokalno dosegljiv. Izbrali smo razvojni komplet (ang. development kit) nRF52-DK [27], ki vsebuje Nordic SoC nRF52832. Na ta način smo se izognili dolgotrajnemu čakanju na samostojno izvedbo in takoj pričeli z raziskovanjem. Za izračun porabe med oddajanjem po Bluetoothu, Nordic ponuja spletno računalo [28]. Porabo

1 Poraba pri 0 dBm oddajne moči.

2 Poraba je aproksimirana glede na podano porabo v opisu izdelka. Upošteva sistem in periferijo v mirovanju, ter vžgane RAM bloke.

3 Funkcija je planirana a še ne podprta.

(27)

2.2 Pregled mikrokrmilnikov 7

nRF52832, med oddanim paketom BLE, prikazuje slika 4. Pri frekvenci oddajanja 0,1 Hz in 31 B paketih, izračunamo povprečno porabo 3,1 µA. Z dobljenim približkom smo ugotovili, da je komunikacija BLE v rangu nekaj µA, mogoča, in utemeljili izbiro nRF52832.

Slika 4: Poraba mikrokmilnika nRF52832 med promoviranjem preko Bluetootha, podatkovnega paketa 31 B in oddajno močjo 0 dBm.

(28)

2.3 Pregled napajanja

Funkcije napajalnega dela naprave prikazuje slika 5. Te so črpanje in skladiščenje energije iz PSC ter zagotavljanje stabilnega napajanja mikrokrmilniku. Točko maksimalne moči (MPP) PSC pričakujemo pri napetosti od 0.5 V do 1 V [5]. Zaradi obratovalne napetosti SoCa od 1,7 V do 3,6 V [29, p. 20], je bilo treba implementirati napetostni dodajalnik (ang. voltage booster).

Slika 5: Funkcije napajalnega dela naprave.

Najbolj razširjena izvedba napetostnega dodajalnika je s tuljavo [30, p. 636]. Osnovna shema, ki prikazuje princip delovanja napetostnega dodajalnika, je prikazana na sliki 6. Tu je uporabljena tuljava, ki jo s pomočjo toka skozi stikalo periodično magnetimo. Energijo nakopičeno v magnetnem polju lahko izrazimo kot

𝐸_𝐿 =1

2𝐿𝐼², (1)

kjer 𝐿 predstavlja induktivnost tuljave in 𝐼 tok skoznjo. Ob razklopu stikala, ki ga na sliki 6 predstavlja NMOS tranzistor M₁, se tok skozi stikalo ustavi, kar pa zaradi nakopičene energije v magnetnem polju tuljave (1) ne drži za tuljavo. Tej se napetost nemudoma obrne in zviša do točke, ko je omogočen preliv naboja preko diode. Tedaj se energija tuljave prenese na izhod v obliki dviga napetosti na izhodnem kondenzatorju. Stikalo lahko upravljamo s pulzno-širinsko modulacijo (ang. pulse-with modulation - PWM). Izhodna napetost v neprekinjenem načinu delovanja je določena z enačbo [31, Ch. 22.3.2]

𝑈_out= 𝑈_𝑖𝑛 1

(1 − 𝐷). (2)

Ta prikazuje izhodno napetost 𝑈_out, v odvisnosti od vhodne napetosti 𝑈_𝑖𝑛 in obratovalnega cikla 𝐷 (ang. duty cycle). S pravilnim nadzorom signala na stikalu ustvarimo poljubno

(29)

2.3 Pregled napajanja 9

izhodno napetost. Vrata vezja lahko upravljamo z MOSFET (ang metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) tranzistorjem. Njihova majhna upornost, med prepuščanjem, ustvarja minimalne izgube. Več, majhne kapacitivnosti omogočajo hitre preklope ter uporabo višjih frekvenc. To vodi v manjšo valovitost (ang. ripple) toka, napetosti in cenejše komponente.

Slika 6: Shema preprostega napetostnega dodajalnika.

PSC deluje v bližini pragovne napetosti MOSFET tehnologije, kar ne zagotavlja popolnega odprtja stikala. To predstavlja težavo pri zagonu in realizaciji želenega napetostnega dodajalnika. Za te namene je razvita posebna izvedba dodajalnikov, ki so prilagojeni izredno nizkim vhodnim napetostim [30, p. 400]. Tem rešitvam pravimo nabiralci energije (ang.

power harvesting devices). Izbrani SoC nima vgrajenega nabiralca energije, ki mu ne dopušča zagona s PSC. Zato, da omogočimo delovanje pri pod-pragovnih napetostih, pogledamo razpoložljive rešitve nabiralcev energije na trgu.

Tabela 3 in tabela 4 prikazujejo integrirane rešitve napetostnih dodajalnikov večjih proizvajalcev, z vhodnimi napetostmi do 1V. Iz primerjave je razvidno, da so rešitve za napetosti pod 0,5V tudi do petkrat dražje od realizacij za višje napetosti. Iz tabele 5 pa je razvidno, da se delovne napetosti ne ujemajo z zagonskimi, saj so zagonske tudi do štirikrat višje od delovnih. Ker vse pregledane rešitve omogočajo zagon iz vršne napetosti PSC, se posvetimo cenejšim. Zaradi daljših obdobij brez stalne svetlobne energije, bo nabiralec energije večino časa miroval. Po presoji cenene rešitve z najboljšo porabo v mirovanju izberemo dodajalnik MAX17220 [32]. Ta omogoča spanje s kar 0,5 nA, črpanje od 400 mV navzgor in je cenovno dostopen.

(30)

Tabela 3: Primerjava integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi pod 0,5 V [32]–[38].

Čip Proizvajalec Cena

[€]

Minimalna vhodna napetost

[mV]

Maksimalen izhodni tok [mA]

Poraba v spanju

MAX17220 Maxim

integrated 1,8 400 10 @ 3.3 V 𝑈_out, 1.2 V

𝑈_𝑖𝑛 0,5 nA

TPS61200 Texas

Instruments 3,1 300 400 @ 3.3 V 𝑈_out, 1.2 V

𝑈_𝑖𝑛 1,5 µA

ADP5090 Analog

Devices 4,7 100

SPV1050 STMicroelect

ronics 4,2 150 70 0,8 µA

MCP16251 Microchip 0,8 350 > 100 @ 3.3 V 𝑈_out,

1.2 V 𝑈_𝑖𝑛 0,6 µA

Tabela 4: Primerjava integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi od 0,5 V do 1 V [38]–[43].

Čip Proizvajalec Cena

[€]

Minimalna vhodna napetost

[mV]

Maksimalen izhodni tok [mA]

Poraba v spanju

MAX1722 Maxim

integrated 0,78 800 60 @ 3.3V 𝑈_out, 1.2V 𝑈_𝑖𝑛 0,1 µA

TPS61222 Texas

Instruments 0,62 700 80 @ 3.3V 𝑈_out, 1.2V 𝑈_𝑖𝑛 0,5 µA

ADP1607 Analog

Devices 1,5 800 280 @ 3.3V 𝑈_out, 1.2V

𝑈_𝑖𝑛 0,7 µA

L6920 STMicroelect

ronics 3,3 800 160 @ 3.3V 𝑈_out, 1.2V

𝑈_𝑖𝑛 1 µA

MCP1623 Microchip 0,6 650 > 50 @ 3.3V 𝑈_out, 1.2V

𝑈_𝑖𝑛 1 µA

(31)

Tabela 5: Primerjava minimalne zagonske in minimalne delovne vhodne napetosti, integriranih napetostnih dodajalcev na tržišču, z vhodnimi napetostmi pod 0,5 V [32], [34]–

[37].

Čip Proizvajalec Minimalna zagonska

vhodna napetost [mV]

Minimalna delovna vhodna napetost [mV]

MAX17220 Maxim integrated 880 400

TPS61200 Texas Instruments 500 300

ADP5090 Analog Devices 440 100

SPV1050 STMicroelectronics 580 150

MCP16251 Microchip 820 350

Druga naloga napajalnega vezja je skladiščenje energije. Da omogočimo porabo 10 µA in 24- urno delovanje v temi, potrebujemo zalogovnik z kapaciteto 240 µAh. Ker se bo naprava nahajala na sočnih površinah, pričakujemo temperature znatno nad sobno. Baterije, ki temeljijo na Li-Ion tehnologijah, kažejo tu višjo kapaciteto, a trpijo pospešeno degradacijo [44]. Več, s temperaturo se viša možnost katastrofalne napake oziroma samovžiga [45].

Zaradi omenjenih pomanjkljivosti smo raziskali uporabo tako imenovanih superkondenzatorjev. Ti kažejo odlično vzdržljivost v visokih temperaturah in življenjsko dobo več milijonov ciklov [46]. Superkondenzatorji so vrsta kondenzatorjev, ki po večini izkoriščajo ogljikove strukture, kot so aktivno oglje in grafen, za tanjše elektrode [47].

Uporaba dobro prevodnih materialov in tanjših elektrod vodi v kondenzatorje z večjo kapaciteto in prevodnostjo. Zaradi omenjenih lastnosti, so superkondenzatorji konkurenčni baterijam. Iz enačbe za kondenzator [48, p. 19]

𝐼 = 𝐶𝑑𝑈

𝑑𝑡, (3)

kjer 𝐼 predstavlja tok, kot produkt kapacitivnosti 𝐶, z odvodom napetosti 𝑈 po času, lahko izpeljemo naslednjo enačbo za potrebno kapacitivnost kondenzatorja:

𝐶 = 𝐼 𝑑𝑡

𝑑𝑈= 10 µA24 ∙ 60 ∙ 60 s

3,6 V − 1,7 V = 0,45 F. (4) Pri računanju smo upoštevali napetostno območje SoCa. Dobljena kapaciteta 0,45 F ustreza rangu kapacitivnosti dostopnih superkondenzatorjev, zato smo se odločili za njihovo uporabo.

SoC zahteva napetost znotraj priporočenih okvirjev. Problem prenapetosti začasno zanemarimo in se posvetimo stanju med zagonom. Ker ob prvem zagonu naprave pričakujemo daljši čas polnjenja kondenzatorja in specifikacija SoCa priporoča maksimalen

(32)

čas naraščanja napetosti⁴ (ang. Supply rise time) 60 ms [29, p. 20], smo raziskali dogajanje med vžigom. Na raziskovalni plošči nRF52-DK smo izolirali napajanje SoCa [49] in mu počasi višali napetost. Med normalnim delovanjem smo izmerili porabo 30 µA.

Rezultate meritev med zagonom prikazuje slika 7. Da bi vezje zaščitili, smo preizkus izvedli le od 0,6 V do 1,5 V. Iz naklona premic izračunamo upornost med zagonom

𝑅_zagona=𝑑𝑈

𝑑𝐼 = (1,6 V − 0,6 V)

(5,8 mA − (−0,9 mA))= 149 Ω. (5) Dobljena upornost, tik pred zagonom vezja, predstavljala bremenski tok

𝐼_bremenski =𝑈_zagonski

𝑅_zagona = 1,7 V

149 Ω= 11 𝑚𝐴. (6)

Ta je mnogo višji od predvidenega in ne bi dovoljeval zagona naprave. Rešitev je nadzornik napajanja (ang. supervisor), ki vključi napajanje SoCa le, ko je dosežena mejna napetost.

Tabela 6 prikazuje tokovno porabo nekaterih nadzornikov na tržišču. Opazimo, da njihove porabe, kljub enostavni nalogi, niso zanemarljive in z lahkoto lahko presežejo zastavljeno maksimalno porabo celotne naprave. Pri izbiri smo se omejili na najbolj varčno rešitev, ki nam je na voljo. To je serija nadzornikov ISL8800x.

Slika 7: Tok v mikrokrmilnik nRF52832, na nRF52-DK raziskovalni plošči, za napetosti pod delovno.

4 Naraščanje napetosti od 0 V do 1,7 V.

-1 0 1 2 3 4 5 6

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Tok [mA]

Napetost [V]

(33)

Tabela 6: Pregled nekaterih nadzornikov napajanja [50]–[53].

Čip Proizvajalec Poraba

ISL8800x Renesas 160 nA

MAX689x Maxim integrated 10 µA

NCP30x ON Semiconductor 500 nA

APX803L Diodes Incorporated 1 µA

MCP16251 Microchip 820 nA

(34)

(35)

Izgradnja merilnika IoT 3

3.1 Vodenje napetostnega dodajalnika

Podatkovni list izbranega napetostnega dodajalnika MAX17220 [32], ne vsebuje natančnih podatkov za mejno vhodno napetost 400 mV. Da bi bolje razumeli karakteristiko, smo izdelali testno napajalno vezje (TNV), prikazano na sliki 8. Uporabili smo ga za postavitev dodajalnika v poljubno delovno točko in spremljanje njegovega vedenja.

Slika 8: Testno napajalno vezje.

Na sliki 9 je prikazana meritev porabe napetostnega dodajalnika v prostem teku, na sliki 10 izmerjena poraba, na sliki 11 pa izkoristek pri bremenu 43 kΩ. Zaradi preobremenitve se je pri nekaterih vrednostih dodajalnik izklopil. V teh primerih vrednosti manjkajo. Vidimo, da je v prostem teku poraba odvisna od izhodne napetosti, do točke minimalne vhodne napetosti, ko poraba sunkovito naraste. Podobna opažanja najdemo pri izkoristku z bremenom. Ta se drastično zniža, z bližanjem vhodnemu pragu 400 mV. Zaskrbljujoč je podatek, da se pri izhodni napetosti 3.3 V, prag delovanja dvigne na 600 mV. Sklenemo lahko, da dodajalnika nočemo preobremenjevati v izogib izklopu in prekomernim izgubam. Zaradi te želje, moramo natančno preučiti mejno krivuljo. To storimo z merjenjem karakteristike čez širše delovno območje.

MAX17220

MCP4019

(36)

16 Izgradnja merilnika IoT

Slika 9: Merjenje karakteristike dodajalnika MAX17220.

Slika 10: Poraba napetostnega dodajalnika MAX17220, brez bremena, pri 1,8 V, 2 V in 3,3 V izhodne napetosti, v odvisnosti od napetosti na vhodu.

0 2 4 6 8 10 12

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Poraba [µW]

Vhodna napetost [V]

1,8V 2V 3,3V MULTIMETER

MP730027

NAPETOSTNI VIR

TENMA 72-2535

TESTNO NAPAJALNO VEZJE OSILOSKOP SDS1104X-U

(37)

3.1 Vodenje napetostnega dodajalnika 17

Slika 11: Izkoristek napetostnega dodajalnika MAX17220, z bremenom 43 kΩ, pri 1,8 V, 2 V in 3,3 V izhodne napetosti, v odvisnosti od napetosti na vhodu.

Ročno merjenje karakteristike dodajalnika je zamudno. Z željo avtomatizacije, smo izdelali kontrolni sistem za digitalno nastavitev izhodne napetosti TNV. Uporabili smo digitalni potenciometer MCP4019 [54], ki smo ga upravljali z računalnikom. Za tolmača med sistemoma, je bil uporabljen sekundarni mikrokrmilnik. Uspešno dinamično upravljanje dodajalnika od 2,7 V do 5 V, prikazuje slika 12. Tok smo merili s pomočjo zaporednega upora, operacijskega ojačevalnika in naprave za zbiranje podatkov (ang. data acquisition device) NI myDAQ. Omenjen merilnik, vir TENMA 72-2535 in napravo za merjenje izhodne napetosti MP730027 smo povezali v LabVIEW okolju.

Slika 12: Vhodna (rumena) in izhodna (viola) napetost TNV, ob sinusnem reguliranju digitalnega potenciometra MCP4019.

40 50 60 70 80 90 100

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Izkoristek [%]

1,8V 2V 3,3V

─ Vhod

─ Izhod

(38)

Iz slike 13 je razvidna poraba napetostnega dodajalnika, brez bremena, čez široko vhodno in izhodno napetostno območje. Ničelne vrednosti so rezultat samo-izklopa. Želeli bi se omejiti na področje pod vznožjem strmih konic, ki je označeno s plavo in rdečo barvo (𝑃 < 4 µW).

Dobljeno območje prikazuje slika 14. Ker mejna krivulja spominja na premico, jo lahko lineariziramo in dobimo pogoj

𝑈_vhodna > 2,9 + 𝑘 ∗ (𝑈_izhodna− 2,9), (7) kjer 𝑈_vhodna predstavlja vhodno napetost dodajalnika in 𝑈_izhodna izhodno. Dobili smo preprosto enačbo, ki nam pogojuje minimalno MPP, v odvisnosti od napetosti sistema. Iz opazovane karakteristike z bremenom se moramo zavedati, da je dobljen pogoj odvisen tudi od bremena, z višanjem katerega se zaostruje.

Slika 13: Poraba dodajalnika MAX17220, brez bremena, v odvisnosti od vhodne in izhodne napetosti.

1,2V 0,8V 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18

2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4

Consumption [µW]

Izhodna napetost [V]

16-18 14-16 12-14 10-12 8-10 6-8 4-6 2-4 0-2

(39)

Slika 14: Območje dodajalnika MAX17220, brez bremena, z višjo (bela) in nižjo (siva) porabo, od 4 µW, v odvisnosti od vhodne in izhodne napetosti

Laboratorijske PSC so lahko nerodne za uporabo in vsebujejo nevarne snovi, kot je svinec. Da smo se izognili njihovi uporabi smo jo med eksperimentiranjem simulirali. Uporabili smo tokovno zrcalo za izvedbo tokovnega vira ranga nekaj 10 µA (slika 15).

Slika 15: Shema uporabljenega tokovnega zrcala, za simulacijo PSC.

Slika 16 prikazuje dinamično dogajanje vhodne in izhodne napetosti napetostnega dodajalnika med tem, ko je njegovo delovanje omogočeno. Dogajanje lahko razdelimo na dva dela, začetno črpanje energije in poznejše, nedefinirano območje. Prvo prikazuje pričakovano črpanje energije iz vhodnega kondenzatorja na izhod. Po padcu vhodne napetosti pod 400 mV, zaidemo v drugo, nedefinirano območje. Tu pride do izrazite izgube energije, ki preseže vrednost črpane energije. Dodajalnik ustvarja več izgub, kot je sposoben izčrpati energije iz vhoda, zato se izhodni kondenzator prazni. Predstavljamo si, da smo zašli v območje eksponentne porabe, ki jo prikazuje slika 13. Da bi omejili izgube, smo preučili možnost omejevanja časa delovanja dodajalnika. Uspelo nam je kontrolirano črpanje, ki ga prikazuje slika 17. Ker izbran dodajalnik nima konstantnega časa zagona [32, Sec. Electrical Characteristics], moramo aktivno slediti vhodni napetosti, da ta ne pade pod pragovno. Slika 18 prikazuje črpanje energije med držanjem konstantne delovne točke na vhodu. Poljubna

0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20

2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4

Izhodna napetost [V]

(40)

valovitost je dosežena s spreminjanjem točke izklopa. Da izkoristimo varčnost dodajalnika v mirovanju, ga nastavimo na vršno vrednost napetosti SoCa in pulzno aktiviramo, ko je to potrebno. To nam nudi zaščito proti prenapetosti zalogovnika in minimalno porabo med obdobji brez stalne svetlobe.

Slika 16: Napetosti na napetostnem dodajalniku med nekontroliranim omogočanjem. Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja napetostnega

dodajalnika (modra).

Nedefinirano območje

─ Vhodni kondenzator

─ Zalogovnik sistema

─ Omogočanje dodajalnika

(41)

Slika 17: Napetosti na napetostnem dodajalniku med 6 ms intervalom omogočanja. Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja napetostnega

dodajalnika (modra).

Slika 18: Vzdrževanje konstantne vhodne napetosti dodajalnika, z aktivnim omogočanjem.

Izhodna napetost (viola), vhodna (rumena) in negiran signal za omogočanje delovanja napetostnega dodajalnika (modra).

(42)

3.2 Merjenje točke maksimalne moči

Za optimalno delovanje želimo vedeti MPP vhoda. To izračunamo iz I-U karakteristike PSC.

Za merjenje I-U karakteristike uporabimo vezje na sliki 19. S SoCom manipuliramo PWM signal, ki počasi odpira vhodni tranzistor. Ta spušča tok skozi zaporedno vezani referenčni upor, na katerem merimo tok. Po premiku čez celotno območje odpiranja vhodnega tranzistorja, podatke zberemo v I-U karakteristiko. Da znižamo porabo med mirovanjem vezja, je realiziran dvojni negator signala. To nam omogoča izbiro manjšega 𝑅₃, za boljše lastnosti RC filtra in večjega 𝑅₄, za manjšo porabo, ko vezje miruje. Merjenje pod pragovno napetostjo tranzistorja omogočimo z –VCC signalom, iz črpalke naboja (ang. charge pump) MAX1720 [55]. To nam omogoča merjenje pri nižjih napetostih, za boljši približek kratkostičnega toka PSC. Valovitost merjenega toka je sorazmerna valovitosti filtriranega PWM signala. Aproksimiramo ga z enačbo

𝑈_valovitost ≈ 𝑇_PWM

4𝑅𝐶 𝑈_območje, (8)

kjer 𝑈_valovitost predstavlja valovitost filtriranega PWM signala, 𝑇_PWM periodo in 𝑈_območje napetostno območje PWM signala. R in C sta parametra filtra [30, p. 383]. V enačbi predpostavimo, da je na sliki 19

𝑅₃ ≪ 𝑅₂, (9)

oziroma, da filter čuti enako impedanco na obe fronti PWM signala. Večja valovitost nam prinaša daljši čas ustalitve. Izračunamo jo z enačbo

𝑡_ustalitve= 𝑅𝐶 log_𝑒 𝑈_območje 𝑈valovitosti

. (10)

Slika 19: Shema vezja za meritev I-U karakteristike PSC.

(43)

3.2 Merjenje točke maksimalne moči 23

Pozorni moramo biti tudi na vhodno kapacitivnost. Med merjenjem I-U karakteristike bi si želeli samo lastno kapacitivnost PSC. To smo dosegli z ločitvijo vhodnega kondenzatorja napetostnega dodajalnika od PSC s tranzistorjem.

(44)

3.3 Nadzornik napetosti

Nadzornik napetosti nam omogoča zagon SoCa le ko napetost z izhodnega kondenzatorja napetostnega dodajalnika (zalogovnika energije) doseže nastavljeno napetost. Pragovna napetost SoCa je 1,7 V. Zaradi zagonskega toka in nezanemarljive upornosti superkondenzatorja, lahko pričakujemo padec napetosti ob zagonu. Pomagamo si z izbiro pragovne napetosti 1,8 V, ki zagotavlja definiran zagon. Tudi nadzornik zahteva minimalno napetost delovanja, ki je 1 V [50, Sec. Absolute Maximum Ratings]. Zagato smo rešili z uporabo izvedbe ISL88001, ki vsebuje obrnjen izhod. Slednje v stanju zagona ustreza pričakovani vrednosti [50, Fig. 5]. Maksimalen izhodni tok nadzornika je 10 mA. Ker vrednost zadošča napajanju SoCa, smo se znebili vmesnih MOSFET vrat in SoC neposredno napajamo preko signala nadzornika.

(45)

3.4 Merjenje okoljskih parametrov 25

3.4 Merjenje okoljskih parametrov

Za merjenje temperature, intenzitete rdeče, modre in bele svetlobe, smo uporabili digitalen senzor APDS-9151 [56]. Intenziteto svetlobe merimo dodatno z analogno foto-diodo s pomočjo vezja na sliki 20. Operacijski ojačevalnik drži diodo v kratkem stiku, na izhodu pa dobimo kratkostični tok fotodiode pomnožen z upornostjo 𝑅₁. Reciklaža črpalke naboja ustvari dvojno napajanje operacijskega ojačevalnika in GND, kot referenčno napetost. Slednje nam omogoča spreminjanje dinamičnega območja analogno-digitalnega pretvornika (ADC), za večjo ločljivost v temnejših okoljih.

Slika 20: Shema vezja za merjenje intenzitete svetlobe, s pomočjo foto-diode.

(46)

3.5 Realizacija naprave

3.5.1 Končno vezje

Celoten sistem nadziramo z razvojno ploščico nRF52-DK [27]. Zanjo smo razvili združljivo vezje, z vsemi predstavljenimi enotami⁵. Omenjeno končno vezje prikazuje slika 21.

Sestavljeno razvojno ploščico in končno vezje pa prikazuje slika 22.

Slika 21: Končno vezje.

5 Poleg omenjenih,vsebuje končno vezje tudi podporo za bratske realizacije čipov in dodatne načine implementacije rešitev. To omogoča lažje reševanje morebitnih problemov in prilagajanje na dobavljive rešitve.

SLEDILNIK TOČKE

MAKSIMALNE MOČI

NAPETOSTNI DODAJALNIK

ANALOGNI MERILNIK OKOLJSKIH PARAMETROV

DIGITALNI MERILNIK OKOLJSKIH PARAMETROV

NADZORNIK NAPETOSTI GLAVNI

KONDENZATOR

ČRPALKA NABOJA

VHODNI

KONDENZATOR POVEZAVA NA PSC

(47)

3.5 Realizacija naprave 27

Slika 22: Združen nRF52-DK in končno vezje.

3.5.2 Nadzornik funkcij

Pri programiranju smo si pomagali z razvojno programsko opremo (ang. Software development kit) nRF5 SDK [57] in programskim okoljem Segger Embedded Studio.

Časovniki SoCa imajo porabo do 120 µA [29, Sec. Timers Electrical Specification], kar je mnogo več od zastavljene. Zato, smo za vse časovno odvisne dogodke uporabili nizko frekvenčni modul ure v realnem času (ang real time clock, RTC) [29, Sec. RTC]. RTC je časovni modul s frekvenco 32,768 kHz in periodo 30,5 µs. Aktivno omogočanje dodajalnika, prikazano na sliki 18, zahteva kratke periode v rangu nekaj 10 µs. Temu in nizki porabi smo zadostili z nadzornikom funkcij. Njegovo delovanje prikazuje slika 23. Vsaka funkcija naprave ima svojo frekvenco izvajanja, naloga nadzornika pa je vzdrževanje aktualnega časa in zagotavljanje izvršitve funkcij, ob zahtevanih časih. Nadzornik najprej preveri seznam bujenja in omogoči zagon funkcijam, ki so na vrsti. Po izvedbi preidemo v stanje mirovanja.

Tu čakamo na zastavico iz v naprej nastavljenega RTC modula. Visoko-frekvenčno SoC jedro tedaj miruje. Po sprožitvi, se sistem zbudi in nadzornik se ponovno zažene. Vsaki funkciji omogočimo rezervacijo periferne enote ali spremembo seznama bujenja. Z rezervacijo periferne enote, kot je na primer analogno-digitalni pretvornik, si funkcija zagotovi njeno uporabo. Periferna enota prejme navodila in nalogo izvede tekom spanja. Po koncu se rezultati posredujejo nazaj funkciji in enota se sprosti. Tak pristop zagotavlja minimalen čas izven mirovanja. Druga stvar, ki jo nadzornik funkcij omogoča, je spreminjanje seznama bujenja. Ko funkcija potrebuje spremembo periode bujenja, lahko to zahteva. Nadzornik izračuna novo največjo periodo bujenja, ki ustreza vsem funkcijam in jo zapiše v RTC modul.

Periodo bujenja manipuliramo z nižanjem 32,768 kHz ure in modifikacijo RTC števca. To zagotavlja minimalno možno porabo med mirovanjem.

(48)

Slika 23: Blokovni diagram delovanja nadzornika funkcij.

Skoki med sistemi z različnimi frekvencami vodijo v napake [29, Sec. TASK and EVENT jitter/delay]. Zaradi prioritete po nizki porabi, lahko to toleriramo, vsaki funkciji pa definiramo maksimalen čas trepetanja (ang. jitter time). Tega nadzornik funkcij upošteva, če z njim lahko privarčuje z daljšim časom spanja. V praksi se tako funkcije z daljšimi dovoljenimi časi trepetanja, prilagajajo bolj sinhronim funkcijam z manjšimi dovoljenimi odstopanji od zahtevane periode.

(49)

3.5 Realizacija naprave 29

3.5.3 Signal PWM

PWM signal smo realizirali z reciklažo RTC modula. Njegov 32,768 kHz števec [29, p. 243]

smo omejili na 256 delov. To nam da periodo 7,782 ms. Znotraj te periode lahko izberemo poljubno točko za spremembo vrednosti izhodnega signala, kar nam omogoča generiranje PWM signala z 8 bitno ločljivostjo.

Iz malosignalnega modela PWM kontroliranega tranzistorja smo izračunali ojačenje ena. Ob želji, da valovitost na merjenem uporu ne preseže 10 mV, sledi

𝑅𝐶 ≈ 𝑇_PWM

4 ∙ 𝑈_valovitost𝑈_območje= 0,007782

4 ∙ 0,01 V6 𝑉 ≈ 1,2. (11) V zgornji enačbi smo za dinamično območje PWM pulzov upoštevali 6 V. Velika 𝑅𝐶 konstanta je v veliki meri rezultat nizke frekvence in velikega vhodnega dinamičnega območja vezja MPP.

3.5.4 Brezžična komunikacija

Pridobljene podatke pošiljamo preko BLE na oddaljeni sprejemnik. Kot nosilca paketa smo uporabili promocijsko sporočilo, ki ga pošljemo vsakih 10 s. Na razpolago imamo paket dolžine 31 B, kar ni dovolj za vse izmerjene podatke. Da smo omogočili prenos poljubne količine informacije preko omejenega paketa in hitro osveževanje, smo implementirali hibridni paket. Ta je sestavljen iz glave, ki vsebuje časovno odvisne podatke, in krožnega medpomnilnika (ang. circular buffer), ki hrani poljubno količino časovno manj odvisnih podatkov. To nam omogoča sinhrono beleženje podatkov, kot je napetost PSC in počasno prenašanje preostalih manj pomembnih parametrov, kot je celotna I-U karakteristika.

Na sprejemni strani BLE komunikacije implementiramo sistem za prikazovanje in shranjevanje prejetih informacij. Za sprejemnik je uporabljen BLED112 Bluetooth USB ključek, ki omogoča virtualni serijski priključek (ang. COM port) [58]. Tega smo uporabili za neposreden dostop iz LabVIEW okolja. Dodatno smo si pomagali z BLE LabVIEW Toolkit knjižnjico [59], ki smo jo modificirali, da sprejema tudi oglaševalske pakete. Sprejete podatke zložimo v celoto, prikažemo uporabniku in periodično shranjujemo za kasnejšo obdelavo.

(50)

(51)

Rezultati 4

Za testiranje zgrajene naprave smo uporabili 1 F kondenzator, kot zalogovnik sistema in 3 mF kondenzator na vhodu. Vezje napajamo s PSC, prikazano na sliki 24.

Slika 24: Perovskitna sončna celica, uporabljena za testiraje naprave.

Slika 25 prikazuje uspešno delovanje sistema z nadzornikom funkcij. Med testom smo napajali SoC iz sekundarnega vira, da smo izolirali končno vezje od razvojne plošče. To nam omogoči boljši vpogled v delovanje posamičnih sklopov. Prvi in zadnji del grafa prikazujeta uspešno držanje delovne točke PSC ter črpanje energije v kondenzator. V sredini je proces uspešno ustavljen in nadomeščen z merjenjem I-U karakteristike. Program najprej počaka dvig napetosti PSC na odprtozančno napetost. Po dvigu se začne odpirati tok skozi referenčni upor. Temu sledi nižanje napetosti PSC, vse do kratkostične. Sledi razbremenitev vhoda in nadaljevanje črpanja. I-U karakteristiko, ki je bila uspešno prenesena preko brezžične povezave na sprejemnik, prikazuje slika 26.

(52)

32 Rezultati

Slika 25: Signali med računanjem I-U karakteristike.

Slika 26: Izmerjena I-U karakteristika, prebrana iz oddaljenega prikazovalnika.

Slika 27 prikazuje beleženje osnovnih parametrov na sprejemniku tekom ene ure. Razvidna sta dva dogodka I-U merjenja. Po prvem merjenju se podatki uspešno porabijo za premik vhodne delovne točke. Po drugem pa zaidemo v nekontrolirano stanje, kot rezultat napake v kodi. Iz burnega grafa napetosti sistema sklepamo, da je prišlo do povečane porabe pri eni od funkcij ali perifernih enot.

Tok [µA]

Napetost [mV]

Napetost PSC Glavni kondenzator PWM

GND

(53)

Rezultati 33

Slika 27: Prikaz beleženja vhodne, izhodne in MPP napetosti, ter vrednosti senzorja foto- diode.

Eden od ciljev naprave je avtonomen zagon. Tu smo naleteli na prvi večji izziv. Napetostni dodajalnik zahteva 850 mV za začetek črpanja, kar je več od pragovne napetosti uporabljenega tranzistorja M₁ na sliki 19 [58]. Posledica je puščanje toka čez zaporedni upor

2400 2500 2600 2700 2800 2900

0,0 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9

Napetost sistema [V]

410 415 420 425 430

0,0 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9

Senzor foto-diode [mV]

0 200 400 600 800 1000

0,0 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9

Napetost PSC [mV]

880 890 900 910 920 930 940

0,0 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6 0,7 0,7 0,8 0,9

TMM napetost [mV]

Čas [h]

MPP 1 MPP 2

(54)

34 Rezultati

𝑅₁. To bi lahko rešili z uporabo MOSFET tranzistorja, z okrepljenim kanalom in pragovno napetostjo 1.2 V ali več. Za namen eksperimenta smo začasno uporabili diodo med izvorom in vrati. Izmerjen puščajoč tok preko diode, je v rangu nekaj µA in ga med merjenjem zagona zanemarimo.

Slika 28 prikazuje merjene izkoristke dodajalnika med zagonom, v odvisnosti od toka. Zaradi prisotnosti ostalih perifernih enot na razvojni ploščici in puščanja toka skozi njihove zaščitne diode [29], začnemo merjenje pri sistemski napetosti 500 mV. Izmerjeni izkoristki so majhni, gredo celo v negativno vrednost, po sistemski napetosti 1,3 V.

Slika 28: Izkoristek pri črpanju energije v kondenzator, med zagonom⁶. Za napajanje je uporabljen konstantni tokovni vir.

Dodajalniku pomagamo pri zagonu, z dodanim 1 F kondenzatorja na vhodu. Slika 29 prikazuje uspešen zagon, z 20 mA vhodnega toka. Viden je tudi zagon SoCa iz strani nadzornika napetosti. Po vžigu SoC uspešno nadaljuje z aktivnim črpanjem. Med zagonom so opazne motnje, katerih izvor je zaenkrat še neznan.

-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

400 600 800 1000 1200 1400

Izkoristek [%]

Napetost zalogovnika [mV]

3,7 mA 7,8 mA

Polinomska (3,7 mA) Polinomska (7,8 mA)

(55)

Rezultati 35

Slika 29: Uspešen zagon sistema s praznimi kondenzatorji. Pri zagonu je uporabljen 1,1 V Napetostni vir, z 20 mA tokovno zaščito.

Od bližje smo si pogledali aktivno črpanje z 1 F vhodnim kondenzatorjem, ki ga prikazuje slika 30. Iz spremembe napetosti kondenzatorja pred in po črpanju, izračunamo 14-odstotni izkoristek⁶. Izstopa padec izkoristka proti koncu črpanja, ki se kaže v padcu napetosti.

Hipotezo preverimo z dvigom končne napetosti, iz 500 mV na 600 mV. To prikazuje slika 31.

Izkoristek izboljšamo na 25 %⁶.

Slika 30: Kontrolirano črpanje energije iz vhodnega 1 F kondenzatorja, do 0,5 V.

6 Izkoristek izračunamo iz razmerja sprememb energij kondenzatorjev na vhodu in izhodu dodajalnika.

Predpostavili smo ničelni pogrešek od specificirane kapacitivnosti kondenzatorja [61].

─ Glavni kondenzator

─ SoC

VŽIG SoC-a

NEPOJASNJEN POJAV

KONTROLIRANO ČRPANJE

PREKOMERNE IZGUBE

Vhodni kondenzator Glavni kondenzator Omogočanje dodajalnika

Gnd

(56)

36 Rezultati

Slika 31: Kontrolirano črpanje energije iz vhodnega 1 F kondenzatorja, do 0,6 V.

Z dodatkom velikega kondenzatorja na vhod smo odkrili novo napako. Zmotno smo uporabili N kanalni MOSFET za izolacijo dodajalnika s PSC in zanemarili vgrajeno diodo tranzistorja (ang. Body Diode). Ta dovoljuje tok iz kondenzatorja proti PSC [58]. Rezultat je napačno merjenje MPP. Za natančnejšo določitev PWM parametrov in kvaliteto I-U karakteristike, bi potrebovali novo izolacijsko vezje med PSC in dodajalnikom.

Za aproksimacijo porabe vezja, skupaj s SoC, smo nabili glavni kondenzator na 3 V ter spremljali padec med delovanjem. Rezultate prikazuje slika 32. Eksponentna narava porabe nas vodi do zaključka, da tok odteka iz SoCa v preostale komponente razvojne ploščice. Tudi po izolaciji SoCa od programatorja, kot predlaga proizvajalec [49], se krivulja ni spremenila.

Vhodni kondenzator Glavni kondenzator Omogočanje dodajalnika

Gnd

(57)

Rezultati 37

Slika 32: Napetost glavnega kondenzatorja (levo) in izračunanega toka skozenj (desno), v odvisnosti od časa, pred popolno izolacijo SoCa od razvojne ploščice.

Popolno izolacijo nam je uspelo doseči z odstranitvijo analognih stikal U6 in U5, na razvojni plošči. Napetost sistema med obratovanjem, brez dovajanja energije in merjenja MPP, prikazuje slika 33. Po enačbi (3) lahko izpeljemo povprečen tok iz kondenzatorja

𝐼kondenzatorja= 𝐶 ∙𝑑𝑈

𝑑𝑡 = 1 F ∙3200 mV − 3045 mV

7,8 h ∙ 60 ∙ 60 ∙ 1000

≈ (5,5 + 4,4/−1,1) µA,

(12)

kjer 𝐼kondenzatorja predstavlja povprečno porabo sistema od 3200 mV do 3025 mV. Razpon porabe je posledica velike negotovosti velikosti uporabljenega superkondenzatorja [61].

Kljub pogrešku smo dokazali porabo pod 10 µA.

2,7 2,75 2,8 2,85 2,9 2,95 3

0 20 40 60

Napetost zalogovnika [V]

Čas [min]

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0

0 20 40 60

Izračunan tok [µA]

Čas [min]

(58)

38 Rezultati

Slika 33: Napetost glavnega kondenzatorja v odvisnosti od časa, brez dovajanja energije in brez merjenja MPP.

Zaradi pomanjkanja časa ni bila izvedena dodatna analiza o porabi in življenjski dobi ter narejen preizkus digitalnega senzorskega sistema in kalibriranje senzorjev z referenco.

3020 3040 3060 3080 3100 3120 3140 3160 3180 3200

0,0 0,3 0,6 0,8 1,1 1,4 1,7 1,9 2,2 2,5 2,8 3,1 3,3 3,6 3,9 4,2 4,4 4,7 5,0 5,3 5,6 5,8 6,1 6,4 6,7 6,9 7,2 7,5 7,8

Napetost zalogovnika [mV]

Čas delovanja [h]

(59)

Zaključek 5

Zadali smo si zgraditi učinkovit in samozadosten IoT merilnik okoljskih parametrov, ki črpa energijo iz perovskitne sončne celice in beleži njene karakteristike.

Uspešno smo razvili senzorsko napravo s porabo pod 10 µA in njen sprejemnik. Pokazali smo samostojen zagon in črpanje energije iz PSC, v točki maksimalne moči, od 400 mV navzgor.

Načrpano energijo smo skladiščili v obliki naboja na superkondenzatorju na vhodu vezja, katerega napetost se je s količino energije spreminjala v razponu nazivne napetosti uporabljeneg procesorja in ostalih komponent. Demonstrirali smo večurno delovanje brez razpoložljive svetlobe. Zbrana energija je bila uporabljena za merjenje intenzitete svetlobe in I-U karakteristike PSC. Za prenos merjenih podatkov na sprejemnik, njihov prikaz in beleženje smo uporabili BLE v načinu enosmerne komunikacije.

Demonstrirana IoT naprava dokazuje, da komercialno dosegljive rešitve na trgu že omogočajo izgradnjo praktične naprave z napajanjem s PSC. Dosežena učinkovitost, skupaj z visokim izkoristkom PSC pomeni, da je tehnologija perovskitnih sončnih celic primerna za aplikacije z omejeno sončno energijo ali velikostjo.

(60)

40 Zaključek

(61)

Literatura

[1] A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, ‘Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells’, J. Am. Chem. Soc., vol. 131, no. 17, pp.

6050–6051, May 2009, doi: 10.1021/ja809598r.

[2] I. Montoya De Los Santos et al., ‘Optimization of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells:

A theoretical and experimental study’, Solar Energy, vol. 199, pp. 198–205, Mar. 2020, doi: 10.1016/j.solener.2020.02.026.

[3] N. K. Tailor et al., ‘Recent progress in morphology optimization in perovskite solar cell’, J. Mater. Chem. A, vol. 8, no. 41, pp. 21356–21386, 2020, doi:

10.1039/D0TA00143K.

[4] ‘A Realistic Methodology for 30% Efficient Perovskite Solar Cells | Elsevier Enhanced Reader’.

https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2451929420301819?token=1F8FC54E0325A1 A07B3EA567EAF5C439E69499D07C0348625FAE7D7180B6A56B630704C12704C1 DC7793A1A155912AB5&originRegion=eu-west-1&originCreation=20210812110920 (accessed Aug. 12, 2021).

[5] M. A. Green, E. D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and X. Hao,

‘Solar cell efficiency tables (Version 58)’, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 29, no. 7, pp. 657–667, 2021, doi: 10.1002/pip.3444.

[6] M. Green, E. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and X. Hao, ‘Solar cell efficiency tables (version 57)’, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 29, no. 1, pp. 3–15, 2021, doi: 10.1002/pip.3371.

[7] M. A. Green, E. D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and X. Hao,

‘Solar cell efficiency tables (version 56)’, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 28, no. 7, pp. 629–638, 2020, doi: 10.1002/pip.3303.

[8] Y. Peng et al., ‘Lead-Free Perovskite-Inspired Absorbers for Indoor Photovoltaics’, Advanced Energy Materials, vol. 11, no. 1, p. 2002761, 2021, doi:

10.1002/aenm.202002761.

[9] R. Cheng et al., ‘Tailoring Triple-Anion Perovskite Material for Indoor Light Harvesting with Restrained Halide Segregation and Record High Efficiency Beyond 36%’, Advanced Energy Materials, vol. 9, no. 38, p. 1901980, 2019, doi:

10.1002/aenm.201901980.

[10] S. N. R. Kantareddy et al., ‘Perovskite PV-Powered RFID: Enabling Low-Cost Self- Powered IoT Sensors’, IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 1, pp. 471–478, Jan. 2020, doi: 10.1109/JSEN.2019.2939293.

[11] ‘Understanding Bluetooth Range’, Bluetooth® Technology Website.

https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/ (accessed Aug.

02, 2021).

[12] ‘Bluetooth Technology Overview’, Bluetooth® Technology Website.

https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/tech-overview/ (accessed Aug. 02, 2021).

[13] ‘Bluetooth Modules & Adaptors | Farnell’. https://si.farnell.com/c/wireless-modules- adaptors/communications-networking-modules/bluetooth-modules-adaptors (accessed Aug. 02, 2021).

(62)

42 Literatura

[14] ‘Zigbee Modules / XBee | Farnell’. https://si.farnell.com/w/c/wireless-modules- adaptors/communications-networking-modules/zigbee-modules-

xbee/prl/results?sort=P_PRICE (accessed Aug. 02, 2021).

[15] ‘WLAN Modules & USB Adaptors | Farnell’. https://si.farnell.com/w/c/wireless- modules-adaptors/communications-networking-modules/wlan-modules-usb-

adaptors/prl/results?sort=P_PRICE (accessed Aug. 02, 2021).

[16] ‘RF / Wireless Development Kits | Farnell’. https://si.farnell.com/w/c/development- boards-evaluation-tools/rf-wireless-development-kits/prl/results?st=lora&sort=P_PRICE (accessed Aug. 02, 2021).

[17] ‘ARTIK 053/053s Module Datasheet’. Samsung Semiconductor, Inc. Accessed: Aug.

02, 2021. [Online]. Available: https://www.farnell.com/datasheets/2580014.pdf

[18] ‘CYBLE-212019-00/CYBLE-212023-10, EZ-BLE^TM PRoC^TM Module’, no. 002, p. 38.

[19] ‘LoRa PHY | Semtech’. https://www.semtech.com/lora/what-is-lora (accessed Aug. 02, 2021).

[20] ‘SX1272/73 - 860 MHz to 1020 MHz Low Power Long Range Transceiver’. Accessed:

Aug. 02, 2021. [Online]. Available: https://www.farnell.com/datasheets/2735939.pdf [21] ‘Bluetooth Core Specification’. Bluetooth SIG, 2021. [Online]. Available:

https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core-specification/

[22] ‘Bluetooth_Smart_Software-BLE-1.4-API-RM.pdf’. Silicon Labs, 2016. Accessed: Aug.

04, 2021. [Online]. Available: https://www.silabs.com/documents/public/reference- manuals/Bluetooth_Smart_Software-BLE-1.4-API-RM.pdf

[23] ‘Q4_Quarterly_Report_2020.pdf’, Nordic Semiconductor. Accessed: Aug. 11, 2021.

[Online]. Available: https://www.nordicsemi.com/-/media/Investor-Relations-and- QA/Quartely-

Reports/2020/Q4_Quarterly_Report_2020.pdf?la=en&hash=A1F61DA97FFD7749E59 B572F30EFFB047BA96654

[24] ‘Bluetooth Low Energy’. https://www.nordicsemi.com/Products/Bluetooth-Low-Energy (accessed Aug. 11, 2021).

[25] ‘RF Transceivers - 2.4GHz & Above ISM Band | Farnell’.

https://si.farnell.com/c/semiconductors-ics/rf/rf-transceivers-2-4ghz-above-ism- band?st=nrf5 (accessed Aug. 11, 2021).

[26] S. Shead, ‘The global chip shortage could last until 2023’, CNBC, May 12, 2021.

https://www.cnbc.com/2021/05/12/the-global-chip-shortage-could-last-until-2023-.html (accessed Aug. 30, 2021).

[27] ‘nRF52 DK - Development kit for Bluetooth Low Energy and Bluetooth mesh’.

https://www.nordicsemi.com/Products/Development-hardware/nRF52-DK (accessed Aug. 12, 2021).

[28] ‘Online Power Profiler for BLE - opp - Online power profiler - Nordic DevZone’.

https://devzone.nordicsemi.com/nordic/power/w/opp/2/online-power-profiler-for-ble (accessed Aug. 04, 2021).

[29] ‘nRF52832 Product Specification’, p. 553.

[30] P. Horowitz and H. Winfield, The Art of Electronics: The x-Chapters. Cambridge University Press, 2020.

[31] F. Donald G. and W. B. H., STANDARD HANDBOOK FOR ELECTRICAL ENGINEERS, 16th ed.

[32] ‘MAX17220-MAX17225.pdf’. Maxim integrated. Accessed: Aug. 10, 2021. [Online].

Available: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX17220-MAX17225.pdf