Menggunakan Solar Panel untuk perangkat kecil ESP32

 Perangkat kecil, seperti perangkat wearable sangat sering dipakai pada lingkungan yang tidak ada pasokan sumber listrik seperti hutan, pegunungan, kampung plosok, dan lainya.

 Oleh sebab itu perlu adanya pasokan sumber listrik sendiri. Alternatifnya adalah memakai solar cell mini.

 Nah disini saya akan membagikan apa yang sudah saya pelajari mengenai solar cell kecil untuk digunakan pada perangkat esp32, ini bisa menjadi referensi untuk mendesain perangkat dilingkungan tersebut.

Berikut konsepnya:

nah, dari blok diagram tersebut berikut adalah bahan yang perlu dipersiapkan:

1. Solar Cell Kecil untuk mencas baterai
2. Baterai litium (rekomendasi) atau LiPo 18650 untuk bertahan ketika malam hari
3. Modul Cas TP4017 untuk mengendalikan cas dan proteksi baterai
4. Voltage regulator 3.3V untuk mengendalikan tegangan baterai ke esp32
5. Power Path untuk memilih supply dari baterai dan solar cell

Nah sebelum merancangnya, kita hitung dahulu device yang akan dibuat.

 Misal kita akan menyuruh esp32 untuk mengaktifkan sensor dan mengirimkan melalui wifi setiap 10 menit sekali. Berikut konsumsinya

 Ternyata mengkonsumsi 71.49mA saat sibuk dan 5.82uA saat deep sleep. Oleh karena deepsleep sangat kecil (dalam 10 menit= 6uAx 10 menit=6uAx600s=3600uAs=3.6mAs)maka diabaikan. Sehingga dibulatkan saja setiap 10 detik dalam 10 menik konsumsinya adalah 100mA.

Berikut perhitungan konsumsi lanjutan:

• Konsumsi sibuk+deepsleep= 100mA
• Energi per cycle = 100mA x 10s = 1000mAs

• Sleep 10 menit, maka
• Cycle 1 jam = 6 cycle = 6 x 1000mAs = 6000mAs

• mAs ke mAh = mAs / 3600 = 6000/3600 = 1.66 mAh

• Cycle 1 tahun = 24 jam x 360 hari x 1.66 mAh = 14.600 mAh (3.3V) 
• Maka butuh 5 baterai 18650.

 Karena akan mendesain dengan solar panel kecil maka kita hanya akan membutuhkan sebuah baterai saja, dimana kita akan menggunakan baterai.

Selanjutnya, kita mendesain charger baterai solar panelnya. Kita akan memakai modul TP4056. Berikut karakteristik kurva cas baterai

• - Baterai menyerap arus max 1200mA ketika sudah 4.2 V
• - baterai menyerap arus konstant 200-100mA ketika 3 - 4V
• - Baterai menyerap arus hanya 10% (100mA) ketika dibawah 3V, maka agar aman harus segera di pulihkan ke 3V keatas

 Nah kehebatan modul TP4056 ada pada rangkaian dw01a dan mosfetnya.

 Dimana ketika tegangan baterai dibawah 2.5V, kedua modul tersebut akan memutus arus ke beban (baterai). 

 Di datasheet modul tp4052 juga tertara maximum inputnya 8V yang cocok untuk solar cell kecil 6V. Dengan max arus cas 1A sangat cocok untuk cas solar cell kecil.

Nah sekarang kita bisa langsung menghubungkan solar cell ke modul cas

Tapi ada masalah lain, yakni kurva karakteristik cas solar panel

 Dimana solar cell punya titik dalam memberikan daya maksimal. Misalanya, jika memaksa memberikan daya lebih dari titik, maka daya akan turun.

 Pada modul cas tp4055 terlihat parameter maksimal arus adalah 1000mA, ini dapat menyebabkan turunya daya meski kemungkinan kecil 

 Oleh karenanya kita butuh cara membatasi arus maximal cas (input arus).

 Trik nya kita bisa mengganti Rprog pada modul cas TP4056, sesuai datasheetnya:

 Trik lagi. Kita bisa ganti R tersebut dengan Potensiometer agar bisa disesuaikan.

Selanjutnya kita ke baterai dan esp32

 Baterai saat dicas penuh bertegangan 4.2V, namun ketika dilepas hanya sekitar 3V. Sedangkan esp32 bekerja dengan tegangan up to 3.6V dan dibawah 3V menjadi tidak stabil. Oleh karenanya perlu adanya Voltage regulator. Dimana kita memakai iC HT333

Peletakan IC regulator

Tambahan tantalum kapasitor agar hack sesuai datasheetnya

 Sekarang alatnya sudah jadi dengan fitur proteksi esp32 dari kelebihan 3.6V dan siap digunakan dengan baterai yang dicas pakai solar cell.

Namun, kita akan menambahkan lagi fitur lain.

Fitur tersebut adalah monitoring voltase baterai.

 Caranya mudah. Dengan memakai volage divider lalu dibaca dengan ADC esp32 (arus voltage divider sangat keicil yakni karena R 1272 ohm, maka 4.2/R = 0.330 mA.

 Fitur tambahan lagi, sekaligus masalah sebelumnya yakni ketika baterai dibawah 2.9V maka akan mengeluarkan arus yang sangat kecil

 Kita lihat di skema modul cas, baterai dan esp32. 

 Baterai dan esp32 dirangkai paralel, lalu arus datang dari tp4056 akan dibagi ke baterai dan esp32. Jadinya baterai tidak mendapatkan arus charging karena diserap esp32 dan akan tetap 2.9V selama waktu yang lama bahkan selamanya.

 Solusinya adalah dengan menggunakan solar panel yang arusnya besar :D

 Tapi ada solusi lainnya, dengan cara menambahkan dua dioda pada solar panel dan baterai ke esp. Ketika solar cell memberikan energi, maka tegangannya tinggi dan butuh disambung langsung ke esp. Dengan pakai skoty diode langsung ke esp, voltage dropnya dibawah 0.3V . Cara Ini disebut "Power Path", yakni  daya yang diserap esp adalah dari solar cell dan menghilangkan penyerapan baterai. Di dioda skoty Ini juga akan memblokir arus jika energi solar panel tidak ada sehingga esp32 akan menyerap daya dari baterai. 

 Jika aliran arus pada jalur skoty dioda hilang, maka arus solar cell akan mengalir ke tp4056 dan mengecas baterai.

 Di baterai ke esp ada dioda juga untuk mencegah jalur langsung dari solar panel.

 Selanjutnya, ketika baterai ngecas oleh modul tp4032 akan stop pada 4.2V, dan hanya restart lagi pada tegangan lowernya. Itu berarti baterai akan terus menerus (kontinyu) naik sedikit turun (cycled) yang dapat mengurangi masa pakai baterai

Baterai disupply up to 4.2V

Baterai disuply naik turun 4.2 dan 4.1

Diawal power path ini memberikan solusi yang oke, namun ternya memiliki dampak juga. 

 Masalah selanjutnya lagi, ternyata penggunaan dioda dapat mengurangi kapasitas pengguan baterai ke esp (drop 0.3V tegangan baterai). ESP32 akan berhenti bekerja meskipun tegangan baterai masih ok.

Oleh karena itu solusinya menggantinya dengan FET type P, karena drop tegangan mendekati nol.

Berikut penambahn secara fisiknya:

Berikut hasil uji coba:

- Uji Coba tanpa memakai eps32 (baterai saja)

Konsumsinya: 128.65 mA

- Uji coba memkai baterai dan esp32

Hasilnya 143.12 mAh pada tegangan 4.5V

Berarti rangkaian power path berkerja normal.

- Uji coba saat tanpa cahaya (malam hari)

Terlihat tegangan berubah jadi 3.49 V

Kita juga bisa menerapkan pada solar cell yang lbih besar, namun dengan tegangan dibawah 8V

Kesimpulan yang harus diingat

1. Solar panel kecil yang bisa mensuplay perangkat ESP32 board atau sejenisnya.
2. Kita butuh Baterai kecil untuk bisa menjelajahi waktu tanpa cahaya (malam)
3. Jika menggunakan 6V solar panel, kita bisa pakai modul cas TP4056 dengan adanya rangkaian protektor
4. Untuk memproteksi 3.3V esp32, kita tambahkan regulator deprrti HT 7333
5. Menambah powerbpath membuat solusi lebih mendekati professional.

Sumber

Tweet