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L’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque a été découvert par A.E. Becquerel en 1839 et fournit une démonstration de la nature corpusculaire de la lumière et du rayonnement électromagnétique en général. Cet effet est un phénomène physique qui se produit lorsqu’un électron présent dans la bande de valence passe à la bande de conduction en raison de l’énergie libérée par les photons. Le phénomène est résumé dans le dessin suivant :

Une cellule photovoltaïque est représentée par une jonction de silicium P-N où l’énergie lumineuse passe à travers la surface et excite la jonction.

Lorsque la jonction est excitée par la lumière, les photons qui ont une énergie égale à l’écart de bande (Eg) du matériau de silicium produisent une paire de charges électriques, un électron et un trou d’électron, et donc un flux de courant. Pour les panneaux en silicium, la valeur typique de Eg est comprise entre 1 et 1,8 eV.

Efficacité

Malheureusement, seul un petit nombre de photons ont assez d’énergie pour créer ce phénomène. Environ 40 à 50% des photons en ont soit trop peu, soit trop. Les photons d’énergie inférieurs à l’écart de bande requis ne contribueront pas à la création d’électricité, tandis que ceux supérieurs à Eg gaspilleront de l’énergie (dissipée en chaleur). En outre, environ 25 à 30 % des photons ne pénètrent pas dans la cellule et n’atteignent pas la jonction mais sont réfléchis par la surface de la cellule ou sur les contacts. Enfin, environ 5% des paires de trous d’électron sont recombinées et ne génèrent donc pas de courant.

Cela implique que l’efficacité des panneaux photovoltaïques dans les conditions de fonctionnement est de l’ordre de 10 à 15 %, généralement avec des pics d’environ 20 % dans les panneaux en silicium monocristallin.

Rayonnement solaire

L’énergie incidente du rayonnement solaire est une valeur considérée par convention comme égale à 1000 W/m^2.

Cette valeur n’est atteinte que dans des conditions particulières de latitude, de position, de pollution, etc. Elle est généralement réalisable à l’équateur avec une lumière directement exposée. Dans d’autres latitudes ou conditions environnementales, les valeurs de rayonnement solaire dans des conditions optimales peuvent varier de moins de 600 à 800 W/m^2 et seulement pour une fraction de la journée.

Panneau photovoltaïque

Comme mentionné précédemment, la cellule photovoltaïque est similaire à une diode de jonction P-N.

Les panneaux photovoltaïques sont la combinaison en série-parallèle de plusieurs jonctions. Ils sont disponibles avec des valeurs de tension allant généralement de 12 à 24V avec des valeurs de tension en circuit ouvert allant de 20 à 40V. La puissance allant de quelques watts à plusieurs centaines de watts sont disponibles.

Circuit équivalent et modèle mathématique

Une cellule photovoltaïque peut être simplifiée avec un générateur de courant continu dont la valeur dépend du rayonnement solaire. Le circuit équivalent d’une cellule est schématisé ci-dessous :

Pour décrire le courant dans la charge, nous pouvons utiliser l’équation de Shockley et le circuit équivalent ci-dessus. Ce courant, I, est décrit par l’équation suivante :

Où :

  • Ie est le courant dans la cellule exprimé en ampères.
  • Il est le courant proportionnel à l’intensité du rayonnement solaire.
  • Io est le courant de saturation de la diode, en ampères.
  • q est la charge de l’électron. i.e. 1.6E-19C
  • K est la constante de Boltzmann. i.e. 1.38E-23J/K.
  • Rs et Rp sont les résistances série et parallèle en ohms.
  • V est la tension de sortie exprimée en volts.

Courbe caractéristique I-V

L’équation ci-dessus décrit la caractéristique I-V de la cellule photovoltaïque. En multipliant le courant par le nombre de cellules en parallèle et/ou en additionnant les tensions des cellules en série, on obtient la caractéristique I-V du panneau photovoltaïque complet. Une caractéristique typique est présentée ci-dessous :

Cependant, la variation de l’intensité du rayonnement solaire entraîne une variation équivalente de la tension et du courant de sortie. La documentation des panneaux photovoltaïques commerciaux indique généralement les caractéristiques I-V à différentes intensités de rayonnement solaire. Un exemple est donné dans l’image suivante :

Le modèle de panneau photovoltaïque Proteus

Proteus inclut un modèle de simulation réaliste d’un panneau photovoltaïque générique. Le modèle peut être facilement configuré en entrant les paramètres typiques d’un produit commercial. Ces paramètres sont généralement toujours fournis dans la fiche technique du fabricant du panneau photovoltaïque. Ces paramètres sont :

  • La tension de circuit ouvert (Voc) est la tension de circuit ouvert à travers le panneau.
  • Le courant de court-circuit (Isc) est le courant de court-circuit du panneau.
  • La tension à Pmax (Vpm) est la tension à la puissance maximale.
  • La puissance maximale (Pmax) est la puissance maximale du panneau.
  • Le coefficient de température du Voc (généralement TC Voc) est exprimé en %/deg C.
  • Le coefficient de température d’Isc (typiquement TC Isc) est exprimé en %/deg C.

Parfois, on donne Imp (I à la puissance maximale) au lieu de la valeur Pmax. Dans ce cas, Pmax est calculé comme cela :

Pmax = Vmp x Imp

Saisie des propriétés dans Proteus

Comme toujours, nous pouvons entrer des paramètres de modèle en éditant le composant et en changeant les valeurs de propriété. Cela se fait par un clic-droit de la souris sur le composant voulu et en cliquant sur « Editer propriétés ». Ceci ouvre la boîte de dialogue suivante

Simulation graphique de la courbe caractéristique I-V

Comme décrit précédemment, les fabricants de panneaux photovoltaïques fournissent des courbes caractéristiques du courant en fonction de la tension (I-V) à différentes intensités d’irradiation solaire. Proteus vous permet de simuler ces courbes, en fournissant également un moyen d’obtenir les courbes à des intensités lumineuses particulières non spécifiées dans la fiche technique. Ces courbes sont obtenues à l’aide des      graphiques de fonctions de transfert (disponibles avec le produit « Simulation Avancée par Graphes »). Voici un exemple :

Dans la simulation, un générateur de tension IRRADIANCE est utilisé pour générer une valeur de tension équivalente au rayonnement solaire de 200 W/m^2 à 1000 W/m^2. Pour permettre à PVPANEL d’accepter un signal externe à la place des contrôles actifs + et – , la propriété « Irradiance Source » doit être définie sur  « External ». Cela désactivera les contrôles actifs et la pièce recevra la valeur de contrôle de la broche (cachée) IRRADIANCE.

Le fichier Proteus, pour la courbe caractéristique I-V, est disponible par le lien ci-dessous et peut être consulté avec le logiciel de démonstration.

Une version démo de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj.

Proteus Simulation en temps réel

Le modèle de panneau PV peut également être simulé en temps réel. Dans ce mode, il est possible de régler la valeur d’irradiation solaire en temps réel à l’aide des deux contrôles actifs + et –. Notez que les contrôles actifs sont activés par défaut, c-à-d que la propriété « Irradiance Source » est définie sur « Active Component ».

Plusieurs configurations de panneaux connectés en série, en parallèle ou une combinaison de deux sont possibles. Dans ce cas, il est possible de définir un seul des panneaux en tant que panneau principal et tous les autres en tant que panneaux secondaires.

À titre d’exemple, disons que nous avons 12 panneaux de 18V 100W chacun que nous voulons connecter en parallèle, de sorte que nous obtenons 18V à 1200W. Nous connecterons 12 panneaux en parallèle, comme indiqué ci-dessous :

Sur PV1, la propriété « Irradiance Source » sera définie sur « Active Component ». Sur les autres panneaux de PV2 à PV12, la propriété Irradiance Source sera définie sur « External ».

De cette façon, pendant la simulation en temps réel, on pourra faire varier l’intensité du rayonnement solaire pour tous les panneaux de PV1 à PV12 en agissant uniquement sur les commandes actives de PV1. Celles de PV2 à PV12 seront désactivées.

Le fichier de schéma est disponible ci-dessous et peut être consulté dans la copie de démonstration de Proteus.

Le fichier Proteus pour le modèle de panneau PV est disponible avec le lien ci-dessous et peut être consulté avec le logiciel de démonstration.

Une version démo de Proteus est nécessaire pour ouvrir le fichier .pdsprj.

Conclusion

Les cellules photovoltaïques représentent l’une des technologies les plus prometteuses pour la production d’énergie propre et durable. Ces appareils convertissent directement la lumière du soleil en électricité, offrant une alternative écologique et à faible teneur en carbone.

C’est aussi un bon exemple montrant la façon dont Proteus nous aide à développer des modèles physiques comportementaux qui sont la base des dispositifs modernes de production d’énergie.

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Fonctionnalités de la démo Proteus 9

La démonstration de Proteus Professional est destinée aux clients potentiels qui souhaitent évaluer nos produits de niveau professionnel. Elle inclut toutes les fonctionnalités offertes par le système professionnel, y compris la conception de PCB basée sur des netlists avec placement automatique, routage automatique et simulation basée sur des graphes.

  • La durée d’évaluation n’est pas limitée relativement à la conception d’une PCB, alors que la simulation des microcontrôleurs est limitée à 14 jours;
  • De très nombreux exemples sont inclus pour vous aider à évaluer tous les aspects du logiciel;
  • Vous pouvez écrire votre propre logiciel sur les exemples existants afin d’évaluer toutes les possibilités offertes;
  • L’impression est uniquement possible pour les schémas et les circuits des exemples;
  • La sauvegarde de votre travail n’est pas autorisée;
  • La simulation de vos projets basés sur des microcontrôleurs n’est pas autorisée.

Communication SPI

Introduction

SPI, ou Serial Peripheral Interface, est un des plus populaires protocoles de communication implémenté sur les microcontrôleurs. Il est couramment utilisé pour interagir avec des périphériques (capteurs, afficheurs, etc).

SPI est un protocole de communication synchrone, ce qui signifie qu’il existe une ligne horloge dédiée (voir les protocoles de communication synchrones/asynchrones). Les liens de communications du SPI sont :

  • MISO = Master In Slave Out
  • MOSI = Master Out Slave In
  • SS = Slave Select
  • SCK ou SCLK = Serial Clock

A la lecture des noms on voit qu’il existe un composant maître (MASTER) et un composant esclave (SLAVE). Le maître est le composant qui contrôle le lien horloge, donc c’est lui qui contrôle la communication.

SPI est un protocole « full duplex », car deux liens de données existent – un pour chaque direction de communication (master vers slave et slave vers master). Il est ainsi possible d’envoyer et de recevoir des données en même temps.

Le bus SPI

Plusieurs modules esclaves peuvent être connectés au même maitre avec les mêmes liens de communication SCK, MISO et MOSI (appelés bus SPI). Un lien distinct « Slave select » (SS) est toutefois nécessaire pour chaque esclave ; le maitre active les liens Slave Select (qui est actif à l’état bas – c.a.d. bas pour sélectionner et haut pour désélectionner) en fonction de l’esclave avec lequel il souhaite communiquer.

En pratique il est rare que des données soient à la fois transmises et reçues en même temps (le scénario habituel est qu’une instruction soit suivie d’une réponse, ou juste que le maître lise l’état de l’esclave). Cependant un des avantages du SPI est qu’il est simple à déboguer et dépanner (avec un oscilloscope par exemple) car on dispose de liens de communication dédiés. Les protocoles tels que I2C nécessitent moins de lignes mais sont plus difficiles à dépanner du fait leur complexité.

Un autre avantage du SPI est que toutes les lignes de communication sont actives à l’état haut ou bas. Par opposition, par exemple, à l’I2C dont les liens de communication sont uniquement pilotées à l’état bas et des résistances de tirage sont utilisées pour les mettre à l’état haut lorsqu’elles ne sont pas actives (voir notre article sur le bus I2C). Comme les lignes sont toujours actives, cela signifie qu’il est possible d’obtenir des débits de données supérieurs.

Dual et Quad SPI

Il existe des variations du SPI appelées Dual et Quad SPI, lorsque plus d’un lien de données est utilisé pour transmettre des données dans une direction en même temps (techniquement en parallèle), ce qui accroit le débit (la vitesse de communication). Ces variantes sont populaires, par exemple dans les composants mémoire FLASH qui nécessitent un débit important. Dans un Dual SPI la communication débute Off comme pour le Single SPI, cependant elle peut passer en Dual mode après qu’une commande soit envoyée au module esclave (voir la documentation du composant esclave). En mode Dual, les liens MISO et MOSI (half duplex) deviennent bidirectionnels, de nom SIO0 (Serial I/O 0) et SIO1. Pour chaque octet, les bits pairs sont transmis sur SIO0 et les bits impairs sur SIO1.

Le Quad SPI est similaire, excepté qu’il existe deux liens de communication supplémentaires (SIO2 et SIO3), et que la moitié d’un octet est transmis à la fois.

Configuration SPI

Certains paramètres du protocole SPI sont configurables, tels que la façon dont la donnée est émise/reçue ou si l’horloge est inactive à l’état haut ou bas. Il est aussi possible de configurer si la donnée est transmise avec le LSB ou le MSB en premier – habituellement le MSB en premier est utilisé.

Si vous n’êtes pas familiers avec les termes LSB et MSB, lisez notre article Signification de bit & Endian.

Regardez la bibliothèque des exemples de projets Proteus pour charger des exemples sur la communication avec des capteurs SPI ainsi que sur l’utilisation générale du protocole avec divers microcontrôleurs.


Copyright Labcenter Electronics Ltd. 2024

Traduction française

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Entrées flottantes et sorties drain ouvert

Tout d’abord, considérons le cas d’un interrupteur à deux voies (interrupteur unipolaire double).

Lorsque le bouton est pressé, l’entrée du microcontrôleur sera connectée à 0 V, ce qui signifie un niveau logique bas. Cependant, lorsque le bouton n’est pas pressé, l’entrée du microcontrôleur n’est pas vraiment connectée à quoi que ce soit :

C’est comme si rien n’était connecté :

Dans ce cas, quel serait le niveau d’entrée ? Haut ou bas ? En effet, comme l’entrée du microcontrôleur n’est pas réellement connectée à quelque chose, elle peut être influencée par des phénomènes tels que l’électricité statique, les rayonnements électromagnétiques de l’environnement ou même agir comme une antenne et capter des ondes radio. Cela peut entraîner des fluctuations entre des états faiblement définis de haut et de bas.

Cet état, où l’entrée du microcontrôleur n’est pas bien définie et pourrait être n’importe quoi (aléatoire), est appelé « flottant ».

Résistances de pull-up et de pull-down

Afin de résoudre ce problème, ce qui est fait est d’ajouter une résistance de tirage vers le haut (pull-up resistor) ou une résistance de tirage vers le bas (pull-down resistor) à l’entrée (résistance de tirage vers le haut illustrée ci-dessous) :

Lorsque le bouton n’est pas pressé, la résistance de tirage vers le haut tire l’entrée du microcontrôleur vers le haut à +3,3 V, fournissant un niveau logique haut bien défini. Lorsque le bouton est pressé, l’entrée du microcontrôleur sera directement connectée (court-circuitée) à la masse (0 V), fournissant un niveau logique bas bien défini. Un certain courant circulera à travers la résistance de tirage vers le haut dans ce cas, cependant, il sera de faible intensité en raison de la valeur relativement élevée de la résistance.

Le symbole de la résistance ressemble à un petit ressort, et c’est exactement ainsi qu’elle fonctionne dans ce cas. Nous avons tous utilisé des portes à fermeture automatique, comme on en trouve couramment dans les lieux publics : à moins que vous ne mainteniez activement la porte ouverte, il y a un mécanisme qui la refermera automatiquement. Sans le mécanisme de fermeture automatique (et en imaginant pour l’instant que la porte n’a pas de mécanisme de verrouillage), la porte serait poussée par le vent ou déplacée par les personnes qui entrent et sortent, et elle ne reviendrait à aucune position particulière. Une résistance de tirage vers le haut (ou de tirage vers le bas) est similaire au mécanisme de fermeture automatique de ces portes, car elle maintient l’entrée à un niveau particulier lorsqu’elle n’est pas activement pilotée. Ainsi, la résistance de tirage vers le haut est semblable à un ressort sur une porte à fermeture automatique – à moins que quelqu’un assez fort vienne pousser la porte ouverte, la porte reviendra par défaut à la position fermée.

La situation pourrait évidemment être inversée, de sorte que le bouton pourrait être connecté à +3,3V (niveau haut), et une résistance de tirage vers le bas pourrait être utilisée pour maintenir l’entrée basse autrement :

La configuration avec résistance de pull-up est la plus couramment utilisée.

Sorties à drain ouvert

Certaines sorties de microcontrôleur peuvent être configurées en mode à drain ouvert (ou sont uniquement disponibles en mode à drain ouvert). Une sortie à drain ouvert est une sortie qui ne peut être amenée qu’à un niveau bas, pas à un niveau haut ; la sortie est soit basse, soit en état flottant. Fondamentalement, la sortie est simplement connectée à la broche de drain d’un transistor (d’où le terme à drain ouvert).

Certaines méthodes de communication, telles que l’I2C et le CAN, utilisent ce schéma pour permettre à plusieurs appareils de communiquer sur les mêmes lignes de communication sans risque de court-circuit (collision, où un appareil essaie de tirer la ligne vers le haut et l’autre vers le bas) ; dans ces cas, une résistance de tirage est utilisée pour maintenir la ligne à un niveau haut lorsqu’elle n’est pas activement tirée vers le bas.


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