スマート ビルディング、スマート ホーム、インダストリー4.0などのアプリケーションでは、さまざまなセンサーやIoTデバイスを幅広く導入する必要があります。これらのデバイスが通常のバッテリーで動作する場合、バッテリーの交換に問題が生じます。太陽電池で駆動できれば、電池交換の手間が省け、実用性が大幅に向上します。この記事では、太陽電池の開発と、オンセミコンダクターが発表した太陽電池マルチセンサープラットフォームの機能と特徴を紹介します。
太陽電池技術は急速に発展した
太陽光発電は再生可能で環境に優しい発電であり、発電の過程で二酸化炭素などの温室効果ガスを排出せず、環境を汚染しません。現在、最も人気のある再生可能エネルギー発電方法の一つです。太陽電池は光起電力効果によって太陽光を電気エネルギーに変換します。太陽光によって直接電気を生み出す光電半導体シートで、「ソーラーチップ」や「光電池」とも呼ばれます。一定の照明条件を満たしていれば、瞬時に電圧を出力し、ループの場合は電流を生成することができます。
太陽光発電の発電原理は、簡単に言うと、太陽電池で波長0.4μm～1.1μm（結晶シリコンの場合）の太陽光を吸収し、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換して出力する発電方式です。太陽電池で発電された電気は直流であるため、家庭用や産業用の機器に電力を供給するには、DC/AC変換器を設置して交流に変換する必要があります。
ほとんどの太陽電池は消費財の充電に問題があります。従来、充電にはニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池が一般的に使用されていましたが、ニッケル水素電池は高温に耐えられず、ニッケルカドミウム電池は環境汚染の問題がありました。現在、スーパーキャパシタは急速に発展しており、容量は超大きく、面積は縮小され、価格は低くなっています。そのため、一部のソーラー製品では充電対象としてスーパーコンデンサを採用し始めており、ソーラー充電の多くの問題が改善されています。
太陽電池は機器の電源供給の問題を解決します
スマート ビルディング、スマート ホーム、インダストリー4.0などのアプリケーションでは、環境データを収集および送信するために、さまざまなセンサーとモノのインターネット (IoT) デバイスを使用する必要があります。これらのデバイスは通常、バッテリーまたは主電源で電力を供給する必要があるため、これらのデバイスを展開する際に多くの問題が発生します。結局のところ、これらのデバイスは、商用電源へのアクセスが容易でない屋外に設置する必要があるかもしれません。一般的な電池を電源に使用した場合、たとえ非常に省電力な機器であっても、電池が切れてしまいます。現時点では、バッテリーの交換に人手と時間を費やす必要があり、これらのデバイスの有用性に大きな課題が生じています。
太陽電池は、これらのセンサーとIoTデバイス間の電力供給問題を解決します。ソーラーパネルは太陽光を受け取ると光電変換を行い、余剰電力をバッテリーに蓄え、夜間に機器に継続的に電力を供給します。その結果、これらのデバイスでは電源の問題がなくなり、スマート ビルディング、スマート ホーム、インダストリー4.0などのアプリケーションの建設コストが大幅に削減されます。
バッテリー不要の太陽電池マルチセンサープラットフォーム
太陽電池アプリケーション向けに、オンセミコンダクターは、スマートビルディング、スマートホーム、インダストリー4.0などの垂直分野におけるバッテリーフリーのIoTアプリケーション向けの包括的な開発プラットフォームであるRSL10太陽電池マルチセンサープラットフォーム（RSL10-SOLARSENS-GEVK）を発表しました。これは、太陽光の自己電力を収集するセンサー ノードを開発および使用するための低コストのソリューションの完全なセットです。これは、業界で最も低消費電力のBluetoothであるRSL10 SIP（System-in-Package）に基づいています。® 5無線をサポートし、RSL10太陽電池マルチセンサープラットフォームは、バッテリーなしでセンサー情報を継続的に送信するBLE（Bluetooth Low Energy）をサポートします。この完全に統合されたプラットフォームには、超低静止電流LDOレギュレータ (NCP170) や太陽電池用の2ポート コネクタなど、環境およびモーション センシング用の複数のスマート センサーが搭載されており、軽量で薄型の47 μFストレージ コンデンサ、プログラミングおよびデバッグ インターフェイス、接続された太陽電池も含まれています。
プラットフォームは低電流源からエネルギーを取得できるため、動作中および待機中のシステムの漏れを最小限に抑えることが重要です。他の省エネデバイスと組み合わせることで、回路基板上の超低静電流LDO（NCP170）は漏れを大幅に削減できます。スタンバイモードでは、消費電力は55 nw、Rxは10 mW、Txは0 dbmで、ビーコンとテレメトリの送信をサポートできます。SEGGER J-Link with Armを使用することで完全に再プログラム可能® 皮質® 超低リーク、適応型デューティ サイクル (送信エネルギーの可用性の自己検出)、およびデュアル ソーラー セル インターフェイス (スルーホール ワイヤはんだ付けまたはZIFインターフェイス) を備えたデバッグ コネクタ (10ピン) アダプタ。
RSL10太陽電池マルチセンサープラットフォームには、幅広い温度範囲（-40〜125℃）の低電圧高精度温度センサー（NCT203）、デジタル湿度、圧力、温度複合センサー（BME280）、統合ウェイクアップおよびスリープ機能を備えたスマート3軸超低電力加速度計（BMA400）、ブロードキャストストレージコンデンサ電圧レベル、温度、電源投入からの時間、電源投入からのアドバタイジングデータパケットをサポートするEddystone TLMビーコンを含むプリフラッシュインターウィービングビーコンファームウェアなど、さまざまな超低電力スマートセンサーが搭載されており、BLEスキャナーアプリケーション（iOS）と互換性があります。® またはAndroid™）、カスタム環境サービスBeaconもサポートし、ブロードキャスト温度、湿度、圧力もサポートし、B-IDK CMSIS-Packでソフトウェア ライブラリと例を提供して、幅広い照明条件 (人工光または太陽光、最低180ルクス) をサポートします。
パネルは太陽電池（デフォルトではパナソニックAmorton AM−1522）によって電力を供給され、通常は3Vで動作します。回路は3Vクランプで保護されており、動作範囲は1.6V～2.65Vです。1.6V未満の場合は送信が許可されず、デバイスはエネルギーを収集します。電圧が2.65Vを超えると、デバイスが動作を開始し、エネルギー バッファーを1.6Vまで使い果たします。
RSL10太陽電池マルチセンサー プラットフォームは、スマート ホーム/ビル、環境センシング (暖房/冷房、空気質)、侵入者検知、雰囲気および気候制御、インダストリー4.0/スマート シティ、作業者の安全と転倒検知、空気質監視、煙検知、モバイル パーソナル ケア、統合型/ポータブル センサー、スマート安全ヘルメット (自転車、オートバイ) などの分野で幅広く使用できます。
開発プラットフォームを構築するためのさまざまな低電力デバイスと開発ツール
RSL10太陽電池マルチセンサープラットフォームは、無線SoCでありBluetooth® 5.2認証をサポートするオンセミコンダクター社が発表したRSL10無線周波数トランシーバーなど、多くの重要なデバイスを採用しています。SDK 3.7を使用すると、RSL10は超低電力BLEをワイヤレス アプリケーションに導入し、高度なワイヤレス機能をサポートし、システム サイズとバッテリー寿命を最適化できます。高度に統合された無線SoCは、デュアルコア アーキテクチャと2.4 GHzトランシーバーを採用しており、BLEと2.4 GHzカスタム プロトコルを柔軟にサポートできます。RSL10のソフトウェア開発キット (SDK) を使用すると、Blinkyの便利な抽象化、ドライバー、サンプルを活用してBLE周辺機器を完成させ、両者の間で必要なツールを提供することで、超低電力BLEアプリケーションを迅速に開発できます。
SDKの主な機能には、Eclipseベースの無料のonsemi IDE®、 Keil μVision® およびIAR Embedded Work Bench® のサポート、 完全なBLEプロトコル スタック、Android™ およびiOSアプリケーションを使用したFOTA (無線ファームウェア)、FreeRTOS™ のサポートなどがあります。
スマート センサーに関して言えば、Bosch SensortecのBMA400 3軸加速度計は、初の真の超低電力加速度計です。BMA400は、長いバッテリー寿命を必要とするウェアラブル デバイスに特に適しています。さらに、スマート室内気候システムやスマートホームセキュリティシステムなどのスマートホームアプリケーションに最適なソリューションです。新しい加速度計は、重大な状況と誤った信号を区別することで、誤報を回避できます。
Bosch SensortecのBME 280は、相対湿度、気圧、周囲温度を測定する湿度センサーです。サイズと低消費電力が重要な設計パラメータとなるモバイル アプリケーションやウェアラブル デバイス向けに特別に開発されました。このデバイスは、高い直線性と高精度のセンサーを兼ね備えており、低電流消費、長期安定性、高いEMC堅牢性に非常に適しています。湿度センサーは極めて高速な応答時間を提供できるため、コンテキスト認識などの新しいアプリケーションのパフォーマンス要件をサポートし、広い温度範囲にわたって高精度のセンシングを提供します。
OnsemiのNCT203温度センサーは、低消費電力と小型化が求められる熱管理システム向けに設計されたデジタル温度計および低温/高温アラームです。NCT203は1.4V ～ 2.75Vで動作するため、低電力デバイスを含む幅広いアプリケーションに使用できます。
OnsemiのNCP170シリーズのCMOS低ドロップアウト (LDO) レギュレータは、超低静止電流を必要とするポータブル バッテリ駆動アプリケーション向けに特別に設計されています。標準500 nAの超低消費電力により長いバッテリ寿命が保証され、動的過渡ブースト機能によりワイヤレス通信アプリケーションのデバイスの過渡応答が向上します。このデバイスは、小型の1 × 1 mm xDFN4、TSOP5、およびSOT-563パッケージで提供されます。
結論
近年、太陽電池は、充電の高速化、耐用年数の延長、充電温度範囲の拡大、太陽電池の小型化（低電圧充電が可能）など、開発が加速しており、ますます有用性が高まっています。本稿で紹介したオンセミコンダクターのRSL10太陽電池マルチセンサープラットフォームは、太陽電池と組み合わせることで、さまざまなセンサーやIoTデバイスに継続的な電力を供給し、スマートビルディング、スマートホーム、インダストリー4.0などのアプリケーションにおけるデバイスの電源供給問題を解決します。その市場と応用には大きな発展の余地があり、多くの人々の関心を引くでしょう。