Как сделать вибрацию полезной? Виброхарвестеры от microGen

Вибрация. Только упоминание этого слова может вызвать головную боль у разработчиков промышленной электроники. Однако с этим коварным врагом можно столкнуться и в других областях. И во всех случаях вибрация оказывает крайне негативное влияние на электронные приборы. Но, как говорится, «нет худа без добра»: инженеры научились и из такой ситуации извлекать выгоду. Речь идет о таких компонентах как харвестеры энергии вибраций. На портале Унитера мы уже публиковали статьи о виброхарвестерах от microGen, а в настоящем обзоре речь пойдет о новых продуктах компании.

Рис. 1.	Энергию вибраций можно использовать с пользой.

Промышленные станки, автотракторная техника, авиационное и космическое оборудование, строительная техника – это лишь малая часть приложений, в которых разработчики сталкиваются с разрушительным воздействием вибрации. И везде она становится злейшим врагом электроники. Где-то, как например, в авиационной отрасли, ударные нагрузки способны уничтожить незащищенные узлы почти мгновенно. А где-то, например, в промышленности, вибрация постепенно, месяц за месяцем и год за годом расшатывает и подтачивает «здоровье» электроники. К счастью даже такого «вредителя» можно исправить и заставить работать на благое дело. Именно для этого и были созданы харвестеры виброэнергии.

Суть работы виброхарвестеров заключается в прямом преобразовании ударных и вибрационных нагрузок в электрическую энергию. К сожалению, при этом возникает несколько проблем. Во-первых, объем получаемой таким способом энергии обычно оказывается достаточно скромным. Во-вторых, вибрации не всегда являются постоянными, если конечно речь идет не о промышленных станках. Из этого следует, что необходимо не просто преобразовывать энергию, но и запасать ее с помощью накопителей (аккумуляторов, суперконденсаторов и т. д.) (Рис. 1).

Рис. 2.	Использование энергии вибрации «в мирных целях».

Примером практической реализации харвестеров энергии являются модульные генераторы от компании microGen. Они построены на базе преобразователей вибрации, выполненных по МЭМС-технологии. Микросхемы преобразователей помещены в стандартные многовыводные QFN-корпуса.

Модульные генераторы от microGen могут работать в резонансном или импульсном режимах.

Наиболее эффективным режимом работы преобразователей от microGen является резонансное взаимодействие. При наличии постоянных вибраций в заданном диапазоне частот на выходе генератора формируется переменное напряжение (Рис. 3). Как было сказано выше, выходная мощность модулей не велика и для нормальной работы потребителей необходимо выполнять накопление энергии. Для этого потребуется внешний выпрямитель и накопительный элемент (например, конденсатор). При необходимости в схеме может использоваться и преобразователь напряжения (линейный стабилизатор или импульсный регулятор).

Рис. 3.	Преобразование энергии вибрации с помощью виброхарвестеров MicroGen.

Импульсный режим модульных генераторов от microGen оказывается менее эффективным, однако именно он может стать наиболее востребованным в тех приложениях, в которых отсутствует источник постоянных вибраций. В таком случае вместо постоянного преобразования колебаний виброхарвестерам приходится «по крупицам» собирать разрозненные вибрации и бережно запасать их в накопителе.В настоящий момент microGen выпускает два типа виброхарвестеров (Рис. 4).

AC Power Cell OPP-1001-00 – виброхарвестер с переменным выходным напряжением. В составе этого модуля присутствует только печатная плата с разъемами, сам преобразователь и несколько вспомогательных резисторов. Подразумевается, что остальную часть схемы питания пользователь будет создавать сам. Габариты модуля составляют 40.6 × 40.6 × 6.85 мм.

Выходная мощность этого генератора зависти от используемого режима работы. При наличии вибраций в резонансном диапазоне 500…700 Гц выходная мощность может достигать 200 мкВт. При воздействии ударных нагрузок эффективность несколько падает: 5…40 мкВт (1…5 Гц), 40…70 мкВт (5…10 Гц), 70…100 мкВт (10…20 Гц). Предельное значение ударных нагрузок составляет 300 g.

DC Power Cell MPC-00010-00 – виброхарвестер со встроенным выпрямителем и парой регуляторов напряжения. Рассмотрим его более подробно.

Рис. 4.	Внешний вид виброхарвестеров от компании MicroGen.

Модульный генератор MPC-00010-00 кроме непосредственно микросхемы преобразователя энергии вибраций имеет в своем составе выпрямитель, пару преобразователей и выходной конденсатор емкостью 600 мкФ (Рис. 5). Это позволяет напрямую использовать модуль для питания нагрузки.

Рис. 5.	Принципиальная схема DC Power Cell MPC-00010-00.

В состав модуля MPC-00010-00 входит целых два преобразователя напряжения:

• импульсный преобразователь LTC3330 используется для относительно мощных вибраций и имеет входное напряжение от 3 В;
• линейный стабилизатор Torex XC6215 необходим для работы со слабыми уровнями вибраций. Как и всякий линейный стабилизатор XC6215 имеет относительно невысокий КПД, зато он может работать со сверхнизкими входными напряжениями от 1.5 В.

Для конфигурации работы модуля предусмотрены специальные переключатели (Рис. 6). С их помощью можно выбирать используемый преобразователь напряжения, активировать сам модуль, отключать и подключать выходной накопительный конденсатор, управлять работой светодиода, активировать схему удвоения напряжения.

Рис. 6.	Энергию вибраций можно использовать с пользой.

Как видно из принципиальной схемы, в режиме удвоения напряжения происходит полное использование всех плеч диодного моста. Это позволяет удваивать выходную мощность.

Для быстрого освоения виброхарвестеров от MicroGen следует воспользоваться оценочным набором Evaluation Kit EVA-00600-00 (Рис. 7). В его состав входит пара модулей AC Power Cell OPP-1001-00, плата преобразователя LTC3330, плата преобразователя Torex LDO, диагностическая плата Diagnostic Board.

По сути, данный оценочный набор представляет собой «разобранный» генератор MPC-00010-00, но с расширенным функционалом: с возможностью измерения тока и с возможностью подстройки выходного напряжения (при использовании преобразователя LTC3330).

Наличие двух генераторов OPP-1001-00 позволяет производить их параллельное включение для получения большей нагрузочной способности.

Рис. 7.	Оценочный набор Evaluation Kit EVA-00600-00.

Харвестеры виброэнергии от microGen в первую очередь будут востребованы в тех областях, где вибрации носят постоянный характер (промышленные станки, строительная техника, автотранспорт и т. д.), однако они наверняка найдут свое применение и в бытовых системах и, особенно, в приложениях для Интернета вещей (IoT).

Характеристики виброхарвестеров AC Power Cell OPP-1001-00:

• выходная мощность в режиме резонанса: 200 мкВт;
• выходная мощность в импульсном режиме: 5…40 мкВт (1…5 Гц), 40…70 мкВт (5…10 Гц), 70…100 мкВт (10…20 Гц);
• емкость: 1.8…2.1 нФ;
• частота резонанса: 500…700 Гц;
• добротность: > 200;
• минимальное ускорение: 0.5 g;
• рекомендуемое максимальное ускорение в режиме резонанса: 2.5 g;
• предельное ускорение в импульсном режиме: 300 g;
• масса: 14.4 г;
• габариты: 40.6 × 40.6 × 6.85 мм.

Характеристики виброхарвестеров DC Power Cell MPC-00010-00:

• выходное напряжение (LTC3330): 3.3 В;
• выходное напряжение (Torex XC6215): 3.3 В;
• выходная мощность в режиме резонанса: 200 мкВт;
• выходная мощность в импульсном режиме: 10 мкВт (1…10 Гц), 10…50 мкВт (10…50 Гц), 50…100 мкВт (50…100 Гц);
• емкость встроенного конденсатора: 600 мкФ;
• собственная емкость харвестера: 1.8…2.1 нФ;
• частота резонанса: 500…700 Гц;
• добротность: > 200;
• минимальное ускорение: 0.5 g;
• рекомендуемое максимальное ускорение в режиме резонанса: 2.0 g;
• масса: 18.5 г;
• габариты: 40.2 × 40.2 × 10 мм.

Состав оценочного набора Evaluation Kit EVA-00600-00:

• AC Power Cell OPP-1001-00 – 2 шт;
• плата преобразователя LTC3330 – 1 шт;
• плата преобразователя Torex LDO – 1 шт;
• диагностическая плата Diagnostic Board – 1 шт.

Посмотреть более подробно технические характеристики виброхарвестеров от microGen