Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

29-11-2017

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков

Linear Technology » LTC3588-1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2017

Jim Drew, Linear Technology

Design Note 483

Введение

Последние достижения в области микроконтроллеров с ультранизким потреблением мощности позволили создать устройства с беспрецедентными соотношениями уровней интеграции и потребления. Это системы на кристалле с уникальными функциями энергосбережения, такими как отключение питания для перевода устройства в неактивный режим. К сожалению, батареи требуют регулярной замены, что делает техническое обслуживание проекта дорогим и неудобным. Более эффективным решением для питания беспроводных устройств может быть сбор механической, тепловой или электромагнитной энергии из среды, окружающей датчик.

Показанная на Рисунке 1 микросхема LTC3588-1 представляет собой законченное решение для сбора энергии, оптимизированное для высокоимпедансных источников, таких, например, как пьезоэлектрические преобразователи. Микросхема содержит полномостовой выпрямитель с низкими потерями и высокоэффективный синхронный понижающий преобразователь, передающий энергию от входного накопительного устройства на регулируемый выход и способный отдавать в нагрузку ток до 100 мА. LTC3588-1 выпускается в 10-выводных корпусах MSE или DFN размером 3 мм × 3 мм.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков
Рисунок 1. Законченное решение для сбора энергии, оптимизированное
для таких высокоимпедансных источников, как
пьезоэлектрические преобразователи.

Источники окружающей энергии

К источникам окружающей энергии относятся свет, разность температур, вибрация, передаваемые радиочастотные сигналы и все другое, что способно с помощью соответствующего преобразователя вырабатывать электрический заряд. Например:

  • Небольшие солнечные панели, уже долгие годы питающие портативные электронные устройства, могут отдавать сотни мВт/см2 при прямом солнечном освещении и сотни мкВт/см2 при отраженном свете.
  • Термоэлектрические устройства преобразуют тепловую энергию в электрическую везде, где имеется градиент температур. Диапазон источников тепловой энергии варьируется от человеческого тела, способного производить десятки мкВт/см2, до вытяжной трубы печи, температура поверхности которой может обеспечить мощность до десятков мВт/см2.
  • Пьезоэлектрические устройства вырабатывают энергию либо при их сжатии, либо при изгибе. Пьезоэлементы, в зависимости от размеров и конструкции, могут вырабатывать мощность до сотен мкВт/см2.
  • Радиочастотную энергию можно собирать с помощью антенны, получая до сотен пВт/см2.

Для успешного конструирования полностью автономных систем беспроводных датчиков требуются энергосберегающие микроконтроллеры и преобразователи, потребляющие минимальную электрическую энергию, получаемую из маломощных окружающих источников. Теперь, когда доступны и те, и другие, недостающим звеном остается высокоэффективная схема, способная превращать выходную энергию преобразователя в полезное напряжение.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков
Рисунок 2. Компоненты системы сбора энергии.

На Рисунке 2 изображена система сбора энергии, содержащая источник/преобразователь энергии, элемент накопления энергии и средства преобразования накопленной энергии в полезное стабилизированное напряжение. В некоторых случаях между преобразователем и накопительным элементом может потребоваться выпрямитель для защиты преобразователя от обратного поступления энергии, или, в случае использования пьезоэлектрического устройства, для выпрямления переменного напряжения.

Примеры практических схем

Для нормальной работы LTC3588-1 необходимо, чтобы выходное напряжение преобразователя энергии было выше предельного порога блокировки при пониженном напряжении для конкретного выходного напряжения, установленного на входных контактах D0 и D1. Для переноса максимального количества энергии напряжение холостого хода преобразователя должно вдвое превышать входное рабочее напряжение, а ток короткого замыкания должен вдвое превышать требуемый входной ток. Для того, чтобы подача энергии на выход не прерывалась, эти требования должны выполняться при минимальной мощности возбуждения источника.

Пьезоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 3 изображена пьезоэлектрическая система, способная при размещении ее на пути воздушного потока вырабатывать до 100 мкВт при напряжении 3.3 В. Изгиб пьезоэлемента составляет 0.5 см при частоте 50 Гц.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков
Рисунок 3. Пьезоэлектрический сборщик энергии.

Термоэлектрический преобразователь энергии

На Рисунке 4 показана система сбора энергии, использующая термоэлектрический генератор, выпускаемый фирмой Tellurex. Разность температур создает выходное напряжение, позволяющее обеспечивать выходную нагрузку мощностью 300 мВт. Подключение преобразователя к входу PZ1 защищает его от протекания обратных токов, идущих из термогенератора при удалении источника тепла. Резистор 100 Ом ограничивает ток для защиты входного моста микросхемы LTC3588-1.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков
Рисунок 4. Термоэлектрической сборщик энергии.

Сбор энергии из электромагнитного поля, создаваемого стандартной люминесцентной лампой

Это приложение требует некоторого нестандартного подхода. Рисунок 5 демонстрирует пример системы, собирающей энергию из электрического поля, окружающего высоковольтные люминесцентные лампы. Две медных панели размером 30 см × 60 см размещаются в 15 см от потолочного люминесцентного светильника площадью 0.6 м × 1.2 м. Через емкостную связь панели извлекают из окружающих электрических полей мощность до 200 мкВ, а LTC3588-1 преобразует ее в стабилизированное выходное напряжение.

Сборщики энергии окружающей среды обеспечивают безбатарейное питание беспроводных датчиков
Рисунок 5. Сборщик энергии электрического поля.

Заключение

Собирая энергию из окружающей среды, LTC3588-1 обеспечивает удаленные датчики безбатарейным питанием. Микросхема содержит все важнейшие блоки, необходимые для управления питанием: мостовой выпрямитель с малыми потерями, высокоэффективный понижающий регулятор, детектор пониженного напряжения, включающий и выключающий преобразователь, и выход статусного сигнала PGOOD («Питание в норме»), позволяющий пробуждать микроконтроллер при доступности питания. Для поддержки нагрузок с током до 100 мА LTC3588-1 требуется всего пять внешних компонентов.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Energy Harvester Produces Power from Local Environment, Eliminating Batteries in Wireless Sensors

    Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Специалисты в Linear Technology - очень крутые! Надеюсь, Analog Devices, которая приобрела эту фирму, позволит их спецам и дальше создавать лучшие продукты.
Рекомендуемые публикации по теме:
Форум  »
Обсуждение: Новая микросхема для сбора энергии окружающей среды от STMicroelectronics расширяет возможности устройств с безбатарейным питанием
Новости  »
Новая микросхема для сбора энергии окружающей среды от STMicroelectronics расширяет возможности устройств с безбатарейным питанием
Статьи  »
Volture: сборщики энергии вибраций приходят на смену батарейкам
Новости  »
Lapka превращает ваш iPhone в станцию для мониторинга окружающей среды
Новости  »
Siemens представляет новую систему для распределения энергии в агрессивной среде

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Датчики влажности и температуры ДВТ-03
Цена: от 3 168 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
DIY настольный 3D принтер
Цена: 163 $ (9500 руб.)
Промо-акция, последняя скидка
Очки с подсветкой и сменными окулярами
Цена: от 8 $ (477 руб.)
Бесплатная доставка: Весь мир
радиолоцман вконтакте радиолоцман одноклассники радиолоцман facebook радиолоцман twitter радиолоцман google плюс