Сбор энергии для питания удаленных датчиков

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2019

Walter Bacharowski

Texas Instruments

Для питания удаленных датчиков все чаще используются схемы сбора энергии окружающей среды. В таких схемах применяются солнечные элементы, пьезоэлектрические генераторы или другие устройства преобразования энергии. Эти устройства собирают энергию от различных источников, преобразуют ее в электричество и обычно хранят в конденсаторе до тех пор, пока она не понадобится. Во многих ситуациях не требуется, чтобы схема датчика работала непрерывно, и запас энергии пополняется во время периодов отключения датчика. В этом примере солнечный элемент и конденсатор емкостью одна фарада используются для питания удаленного детектора движения, сигнал которого, возникающий при обнаружении присутствия, сразу передается по радиоканалу на центральную систему контроля. Такой тип датчика подходит наилучшим образом, поскольку не нуждается ни в проводах, ни в замене батареи.

Для контроля напряжения на конденсаторе и информирования других цепей о том, что напряжения достаточно для включения и выполнения некоторой обработки, иногда требуется соответствующая схема. Когда напряжение на конденсаторе падает ниже заданного уровня, схема отключается. С учетом емкости, напряжение на конденсаторе является мерой того, сколько энергии доступно для питания внешних цепей. Как правило, энергии, собираемой преобразователями, бывает недостаточно для непрерывного питания схемы. Поэтому необходим конденсатор, способный накапливать достаточно энергии для питания схемы в течение определенного периода времени. В этом примере (Рисунок 1) использованы недорогие фотогальванические ячейки из аморфного кремния, способные питать схему как от внешнего, так и от внутреннего освещения. Между размером солнечных ячеек, размером накопительного конденсатора и частотой включения схемы всегда можно найти компромисс. Для изоляции цепи нагрузки от компонентов, собирающих энергию, на время, пока накапливаемой энергии не станет достаточно для выполнения задачи, используется монитор напряжения. Элементами сбора энергии батареи солнечных элементов служат диод D1 и конденсатор C1.

Рисунок 1.	Детектор движения с радиоканалом и питанием от солнечной батареи.

Схема монитора должна потреблять очень низкую мощность и работать в широком диапазоне питающих напряжений. На Рисунке 1 функцию монитора выполняет компаратор LPV7215, типовой рабочий ток которого равен 580 нА. Пороги и гистерезис компаратора LPV7215 задаются резисторами R1, R2 и R3, а также источником опорного напряжения LM385-1.2. Компаратор используется для управления MOSFET Q1, включающим схему детектора движения. MOSFET включается, когда напряжение на конденсаторе C1 становится больше 4 В, и выключается, когда напряжение опускается ниже 3 В.

В схеме детектора движения использован пироэлектрический датчик, за которым следует полосовой фильтр с большим коэффициентом усиления. В качестве усилителей U5 и U6 используется микросхема LPV511 с типовом рабочим током всего 880 нА и произведением коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, равным 27 кГц. Для питания полной схемы детектора движения требуется лишь около 4 мкА. На Рисунке 2 показан выходной сигнал усилителя U6, возникающий в то время, когда поле зрения пироэлектрического датчика пересекает теплое тело, а также сигналы оконного компаратора и расширителя импульсов.

Рисунок 2.	Сигналы детектора движения.

Выходной сигнал усилителя U6 поступает на вход оконного компаратора, собранного на двух микросхемах U2 и U3 (LPV7215) и трех резисторах R6, R7 и R8. Пороговые напряжения установлены на уровне 1/3 и 2/3 от коммутируемого напряжения +V_SW. Когда сигнал датчика движения становится выше или ниже пороговых значений, выход компаратора переключается в низкий уровень. Выходы компараторов через диоды D2 и D3 соединены по схеме «ИЛИ» и подключены к входу расширителя импульсов. Расширитель импульсов, состоящий из компаратора U4 (LPV7215), а также элементов C2, R9, R10, R11 и R12, формирует импульс длительностью примерно 0.5 с, который включает радиопередатчик через транзистор Q2. Для работы передатчика требуется приблизительно 25 мА, в то время как схема монитора потребляет всего порядка 20 мкА. Расчет емкости накопительного конденсатора требует оценки тока схемы, изменения напряжения на конденсаторе и времени, необходимого для выполнения задачи. Например, при активном передатчике схема на Рисунке 1 потребляет приблизительно 25 мА. Выбранные солнечные элементы способны вырабатывать примерно 5.5 В при токе 10 мА, заряжая конденсатор C1 до 4.9 В. (Напряжение на солнечных элементах минус падение напряжения на диоде D1, равное приблизительно 0.6 В). Время, в течение которого может работать схема, определяется временем, за которое конденсатор C1 разрядится от 4.9 В до 3.0 В, и рассчитывается по формуле:

Каждый раз передатчик включается на 0.5 с, поэтому детектор движения имеет возможность без подзарядки передать информацию примерно 156 раз (76/0.5), прежде чем напряжение на конденсаторе упадет ниже уровня выключения 3.0 В. В нормальном режиме работы и при наличии света солнечный элемент постоянно подзаряжает конденсатор C1.

Второй вопрос, связанный с накоплением энергии – это то, как долго схема обнаружения движения может работать без подзарядки конденсатора. Используя приведенную выше формулу, и считая, что схемы детектора движения и монитора в сумме потребляют 20 мкА, а напряжение на конденсаторе изменяется от 4.9 В до 3.0 В, получаем:

И, наконец, интересно знать, сколько времени пройдет после первой установки схемы до того момента, когда зарядится конденсатор C1 и схема начнет работать. Расчет дает следующую оценку этого времени:

Чтобы не ждать зарядки C1 от солнечного элемента, непосредственно перед установкой схемы можно на время подключить ее к источнику 5 В.

Этот пример демонстрирует использование усилителей и компараторов с очень низким энергопотреблением в схемах удаленных беспроводных датчиков с безбатарейным питанием. Вместо показанной здесь схемы детектора движения к устройству можно подключить множество других датчиков, измеряющих, например, температуру, влажность или протечки.

Материалы по теме