Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni

Paweł Górecki
Akademia Morska w Gdyni
ŁADOWANIE SMARTFONÓW PRZY WYKORZYSTANIU
ENERGII SŁONECZNEJ
W pracy przedstawiono zaprojektowaną i skonstruowaną przez autora ładowarkę do smartfonów,
wykorzystującą energię pobieraną z panelu fotowoltaicznego. Zaprezentowano schemat ładowarki
wraz z opisem funkcjonalności poszczególnych jej elementów, a także zmierzone charakterystyki
statyczne i dynamiczne tejże ładowarki. Przedyskutowano też możliwości zastosowania takiego układu
do systemów ładowania urządzeń mobilnych udostępnianych w przestrzeni publicznej.
Słowa kluczowe: fotowoltaika, przetwornice, smartfon.
WSTĘP
Jeszcze do niedawna w celu dostosowania energii uzyskiwanej z paneli
fotowoltaicznych do wymagań użytkownika wykorzystywano niemal wyłącznie
falowniki [9]. Typowo do wyjścia falownika dołączano prostownik przekształcający
napięcie zmienne w napięcie stałe, wymagane przez odbiornik. Rozwiązanie to
generowało zbędne koszty oraz powodowało obniżenie sprawności energetycznej
systemu przetwarzania energii. Obecnie można zaobserwować na rynku wzmożone
zainteresowanie układami przetwarzającymi napięcie z panelu fotowoltaicznego
bezpośrednio na napięcie stałe wymagane przez odbiornik. Dzięki zastosowaniu
dedykowanych przetwornic DC/DC można uzyskać wyższą sprawność
energetyczną, mierzoną na drodze od panelu fotowoltaicznego do odbiornika, niż
przy zastosowaniu dwuetapowego przetwarzania DC/AC oraz AC/DC.
Z drugiej strony, w ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost liczby osób
noszących ze sobą ładowarki do smartfonów. Ze względu na częste używanie
telefonu oraz wymaganie przezeń coraz większych mocy pobieranych z wbudowanych akumulatorów niezbędne jest częstsze niż kiedyś ich ładowanie. Możliwości
ładowania telefonów są ograniczone, zwłaszcza poza pomieszczeniami, liczbą
przyłączy do sieci elektroenergetycznej.
W okresie letnim, gdy występuje silne nasłonecznienie, łatwo dostępnym
źródłem energii mogą być panele fotowoltaiczne [7]. Dynamiczny rozwój technologii wykonywania fotoogniw sprawia, że z roku na rok są one coraz bardziej
atrakcyjnym źródłem energii elektrycznej, charakteryzującym się coraz wyższymi
wartościami sprawności energetycznej procesu konwersji fotowoltaicznej [1, 5,
7, 8].
84
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016
W pracach [2, 4, 6, 9] prezentowane są rozwiązania licznych układów
przetwornic dc-dc, ale bez opisów szczegółowych rozwiązań technicznych systemów ładowania smartfonów z ogniw fotowoltaicznych. Z kolei w pracy [3] opisany
został układ służący do zasilania laptopów przy wykorzystaniu energii z paneli
fotowoltaicznych.
W niniejszym artykule przedstawiono projekt i wyniki testów ładowarki
smartfonów, wykorzystującej energię uzyskiwaną z paneli fotowoltaicznych.
Poniżej omówiono projekt ładowarki, a w drugim rozdziale zaprezentowano zmierzone charakterystyki statyczne i dynamiczne skonstruowanego układu pracującego
z obciążeniem rezystancyjnym i docelowym w postaci smartfonu.
1. UKŁAD ŁADOWARKI
Układ ładowarki został zaprojektowany tak, by na jego wyjściu uzyskiwane
było napięcie wyjściowe o wartości równej 5 V, przy dostarczanym napięciu
wejściowym w zakresie od 6 V do 35 V. W celu uzyskania wysokiej sprawności
energetycznej niezbędne było zastosowanie stabilizatorów impulsowych z przetwornicą buck. W trakcie projektowania uwzględniono również fakt, że maksymalny
prąd ładowania smartfonów nie przekracza 1 A.
W rozważanej ładowarce, której schemat pokazano na rysunku 1, oprócz
obwodu mocy w postaci przetwornicy buck, występuje blok sterownika. Blok
sterownika umożliwia regulację współczynnika wypełnienia sygnału sterującego
obwód mocy w taki sposób, aby uzyskać stałą wartość napięcia na wyjściu
przetwornicy. W charakterze sterownika zastosowano układ scalony L4962,
z wbudowanym tranzystorem kluczującym [10].
C1
VFB
GND
R3
L1
VBUS
OUT
SS
C5
OSC
D1
R1
C2
R2
C3
C4
Rys. 1. Schemat ładowarki
Fig. 1. The charger diagram
DD+
GND
USB
FC
U NC
L4962
VIN
UIN
85
P. Górecki, Ładowanie smartfonów przy wykorzystaniu energii słonecznej
Napięcie wyjściowe jest stabilizowane przez układ sterownika, który poprzez
sprzężenie napięciowe reguluje wartość współczynnika wypełnienia generowanego
sygnału PWM. Zwarcie wejścia VFB sterownika z wyjściem ładowarki zapewnia
pracę sterownika z minimalnym napięciem wyjściowym układu sterownika równym
5 V, zgodnym ze standardem złączy USB. Kondensator C3 i rezystor R2 odpowiadają za częstotliwość wewnętrznego sygnału PWM sterującego tranzystor
kluczujący, która w prezentowanym rozwiązaniu wynosi 100 kHz. Układ zasilany
jest stałym napięciem wejściowym z panelu fotowoltaicznego.
W tabeli 1 podano wartości poszczególnych elementów wchodzących w skład
układu ładowarki.
Tabela 1. Wartości elementów ładowarki
Table 1. Values of the charger components
R1
R2
R3
C1
C2
C3
C4
C5
L1
15 kΩ
4,7 kΩ
4,7 kΩ
680 µF
3,3 nF
2,2 nF
22 µF
22 µF
22 mH
W celu obniżenia napięcia generowanego przez panel fotowoltaiczny do
poziomu pozwalającego ładować akumulator smartfona niezbędne było zastosowanie stabilizatora z przetwornicą buck obniżającą napięcie. Napięcie wyjściowe
VBUS udostępniane jest na wyjściu USB.
Typ diody D1 w obwodzie mocy wybrano ze względu na wymagania dotyczące
jej wytrzymałości napięciowej i prądowej. Musi ona wykazywać dopuszczalną
wartość prądu przewodzenia przekraczającą 1 A, przy której nie zostanie przekroczona dopuszczalna temperatura pracy oraz dopuszczalne napięcie w stanie wyłączenia większe od 30 V, co wynika z wymagań projektowych. Wymagania te spełnia
m.in. dioda 1N5822 zastosowana w skonstruowanym układzie.
2. WYNIKI TESTÓW
Zaprojektowana ładowarka została skonstruowana i uruchomiona przez autora.
W celu zweryfikowania poprawności procesu projektowania ładowarki zmierzono
jej podstawowe charakterystyki. Charakterystyki statyczne zmierzono, korzystając
z multimetrów UNI-T UT804 i pirometru Optex PT-3S, a dynamiczne – korzystając
z oscyloskopu Rigol DS1052E i sondy prądowej Tektronix TCPA 300. We wszystkich pomiarach źródłem napięcia wejściowego był zasilacz Array 3645A.
Na rysunku 2 pokazano zależność sprawności energetycznej ładowarki od
rezystancji obciążenia przy napięciu wejściowym równym UIN = 30 V. Sprawność
energetyczną obliczono jako iloraz mocy wyjściowej ładowarki do mocy wejściowej. Sprawność idealnego stabilizatora obniżającego, którym jest ładowarka, jest
malejącą funkcją rezystancji obciążenia. Jednak w układach rzeczywistych funkcja
ta ma wyraźne maksimum dla prądu obciążenia zbliżonego do maksymalnego
86
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016
dopuszczalnego prądu układu, co wynika z parametrów zastosowanych elementów,
w szczególności układu scalonego L4962 i dławika. Maksimum to wystąpiło dla
obciążenia rezystancją poniżej 5 Prądy w zakresie rezystancji obciążenia mniejszych od 5  przekraczają maksymalną wartość prądu ładowania smartfonów.
Warty podkreślenia jest również fakt, że maksymalna sprawność całego układu
ładowarki, przy napięciu wejściowym równym 30 V, odpowiadającym napięciu
znamionowemu panelu o mocy 240 W, wynosi ponad 64% i jest niższa zaledwie
o niecałe 6% od maksymalnej sprawności sterownika deklarowanej przez
producenta [10].
Uin=30 V
Rys. 2. Zmierzona zależność sprawności energetycznej ładowarki od rezystancji obciążenia
Fig. 2. Measured dependence of the watt-hour efficiency of the charger
on load resistance
Na rysunku 3 przedstawiono zależność napięcia wyjściowego ładowarki od
rezystancji obciążenia. W oczekiwanym zakresie pracy ładowarka wykazuje bardzo
dobrą stabilizację napięcia – odchyłki od oczekiwanej wartości napięcia wyjściowego nie przekraczają 50 mV. Spadek wartości stabilizowanego napięcia wyjściowego w zakresie rezystancji poniżej 5 Ω nie jest istotny z punktu widzenia użytkownika, gdyż do ładowania smartfonów nie są używane prądy wyższe od 1 A.
Na rysunku 4 pokazano zależność temperatury obudowy sterownika (krzywa
niebieska), temperatury maksymalnej dławika (krzywa czerwona) oraz temperatura
diody (krzywa zielona) w funkcji rezystancji obciążenia. Pomiary temperatury
wykonano pirometrem Optex ST-3, który charakteryzuje się błędem ±2oC. W dopuszczalnym zakresie pracy układu elementy nie osiągają temperatury zagrażającej
poprawności działania układu.
87
P. Górecki, Ładowanie smartfonów przy wykorzystaniu energii słonecznej
Uin = 30 V
Rys. 3. Zmierzona zależność napięcia wyjściowego ładowarki
od rezystancji obciążenia
Fig. 3. Measured dependence of the output voltage of the charger on load resistance
Uin = 30 V
Rys. 4. Zmierzone wartości temperatury sterownika, dławika i diody
w funkcji rezystancji obciążenia
Fig. 4. Measured dependence of controller, coil and diode temperature of
the charger on load resistance
Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę przejściową ładowarki. Widać, że
oczekiwane napięcie wyjściowe jest uzyskiwane przy napięciu wejściowym
większym od 7 V.
88
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016
RL = 10 Ω
Rys. 5. Charakterystyka przejściowa ładowarki
Fig. 5. Measured transfer characteristic of the charger
Na rysunku 6 przedstawiono zależność sprawności engetycznej od napięcia
wejściowego. Widać, że maksimum sprawności energetycznej przypada na taką
wartość napięcia wejściowego, przy której uzyskiwana jest oczekiwana wartość
napięcia wyjściowego.
RL=10 Ω
Rys. 6. Zmierzona zależność sprawności energetycznej od napięcia wejściowego ładowarki
Fig. 6. Measured dependence of the watt-hour efficiency of the charger on input voltage
P. Górecki, Ładowanie smartfonów przy wykorzystaniu energii słonecznej
89
Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przebiegi czasowe prądu wyjściowego
ładowarki obciążonej smartfonem HTC Wildfire przy różnym naładowaniu akumulatora wewnątrz smartfona.
Jak widać, wbudowany w smartfon układ wymusza generację impulsów
prądowych. Generowany sygnał ma częstotliwość ok. 75 kHz i amplitudę ok. 100
mA, które są niezależne od poziomu naładowania akumulatora. W zależności od
poziomu naładowania akumulatora zmienia się składowa stała prądu ładującego oraz
jego kształt.
Analizując krzywe, przedstawione na rysunkach 7 i 8, należy pamiętać, że są
ujęte w różnych skalach. Informacja o skali znajduje się u dołu rysunków.
Rys. 7. Zmierzona charakterystyka prądu wyjściowego ładowarki od czasu
w stanie ustalonym przy akumulatorze w smartfonie naładowanym do 23%
Fig. 7. Measured dependence of the output current on time in steady state
in the case of 23 % charged battery
90
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016
Rys. 8. Zmierzona charakterystyka prądu wyjściowego ładowarki od czasu
w stanie ustalonym przy akumulatorze w smartfonie naładowanym do 99%
Fig. 8. Measured dependence of the output current on time in steady state
in the case of 23 % charged battery
PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono zaprojektowaną i skonstruowaną przez autora ładowarkę smartfonów z panelu fotowoltaicznego. Ładowarkę tę poddano testom
weryfikującym poprawność jej działania. Czas ładowania zaproponowaną ładowarką nie różni się od czasu ładowania ładowarką sieciową dostarczoną przez
producenta.
Zaprezentowana tu ładowarka pozwala zasilać smartfony wszystkich popularnych marek dopuszczonych do sprzedaży w Unii Europejskiej ze względu na
standaryzację złącza zasilającego.
Można się spodziewać, że ładowarki o podobnej konstrukcji do przedstawionej
w artykule w ciągu najbliższych lat mogą stać się standardowym wyposażeniem
wielu miejsc w przestrzeni publicznej, takich jak np. porty lotnicze, dworce kolejowe
czy parkingi przy autostradach.
P. Górecki, Ładowanie smartfonów przy wykorzystaniu energii słonecznej
91
LITERATURA
1. Castaner L., Silvestre S., Modelling Photovoltaic Systems Using Pspice, John Wiley&Sons, New
York 2002.
2. Ericson R., Maksimovic D., Fundamentals of Power Electronics, Norwell, Kluwer Academic
Publisher, 2001.
3. Górecki P., Voltage Regulators for the Laptop’s Power Supply Station with Photovoltaic Modules,
Proceedings of the 22th International Conference „Mixed Design of Integrated Circuits and
Systems”, Łódź 2015, s. 405– 408.
4. Kazimierczuk M.K., Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters, John Wiley &Sons, Ltd,
New York 2008.
5. Klugmann-Radziemska E., Fotowoltaika w teorii i praktyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo
2010.
6. Mohan N., Robbins W.P., Undeland T.M., Nilssen R., Mo O., Simulation of Power Electronic and
Motion Control Systems – An Overview, Proceedings of the IEEE, Vol. 82, 1994, s. 1287–1302.
7. Mulvaney D., Solar’s Green Dilemma, IEEE Spectrum, Vol. 9, 2014, s. 26–29.
8. Piotrowicz M., Marańda M., Sizing of Photovotaic Array for Low Feed-in Tariffs, Proceedings of
the 21th International Conference „Mixed Design of Integrated Circuits and Systems”, Łódź 2014,
s. 405–408.
9. Rashid M.H., Power Electronic Handbook, Academic Press, Elsevier, 2007.
Źródła internetowe
10. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/22494/STMICROELECTRONICS/L4962.html.
SMARTPHONE CHARGER WITH PHOTOVOLTAIC MODULE
Summary
In this paper, designed and constructed by the author, the smartphone charger with photovoltaic
module is presented. The operating correctness of this charger was tested. A charging time using
designed charger is the same as using grid charger which was delivered with the smartphone.
The charger presented in the paper can supply smartphones produced by all well-known producers for
the European Union market because all these smartphones have standardised supply voltage.
It can be expected that chargers similar to the one presented in this paper could become a standard
equipment for many places in a public area.
Keywords: solar energy, dc/dc converters, smartphone.