Figura 1: MAX17710 este un sistem complet pentru încărcarea unei celule de la o plajă de surse de recuperare energetică.
Oricând de ciudat ar părea, bateriile nu sunt așa de populare în Internetul Lucrurilor. Da, ele permit senzorilor și nodurilor senzoriale să fie plasate în mult mai multe locuri din casă, birou sau fabrică, fără a trebui să fim îngrijorați de liniile de putere sau de prize, dar această conveniență este punctul lor slab. După cum milioane de noduri sunt adăugate în Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT), conectând aproape toate tipurile de echipamente, provocarea de a înlocui bateriile devine o realitate scumpă. Înlocuirea a sute de mii de baterii în jurul unei zone de producție se poate constitui ca sarcină de lucru pentru câțiva angajați, fiind costisitoare atât ca timp/angajat, cât și ca baterii în sine. Scopul este de a avea aceste noduri în cât mai multe locuri posibil pentru a se putea monitoriza activitatea în depozit sau fabrică, pentru a face operațiunile de lucru mai eficiente.
Astfel, proiectanții caută modalități de a extrage energie din mediu pentru a alimenta aceste noduri. Această energie poate fi utilizată pentru a alimenta nodurile direct, fără nicio baterie, dar în numeroase situații recuperarea energiei este utilizată pentru a încărca o baterie sau un super-condensator, extinzând durata de viață a bateriei de la un an sau așa ceva, la peste un deceniu, reducând dramatic costul întreținerii și înlocuirii.
Această trecere către recuperarea energetică este ajutată de consumul energetic mai redus al celor mai recente microcontrolere, senzori și transceivere wireless, dar proiectanții au de-a face cu provocări semnificative atunci când vine vorba despre fluctuația puterii pentru o gamă largă din aceste surse.
Tabel 1: Puterea disponibilă de la diferite tipuri de recuperare energetică.
Unele dintre aceste surse sunt evidente. Mici panouri solare au fost utilizate de ani pentru a alimenta lumini cu LED și calculatoare, dar pentru o eficiență mai mare, celulele solare care lucrează în lumină fluorescentă în fabrici sunt cuplate cu dispozitive de management energetic, care pot gestiona variațiile de consum cu ajutorul unui transceiver wireless.
Alte tehnici de recuperare energetică, în mod particular în fabrică, includ captarea diferenței de căldură cu generatoare termoelectrice (TEG) și a vibrațiilor mașinilor cu dispozitive piezoelectrice. Ambele abordări pot acum produce suficientă energie pentru a trimite prin actualizări regulate informații privind starea de funcționare a mașinii sau activitatea unui sistem, evidențiind din timp orice probleme potențiale.
Un TEG constă dintr-o matrice de termocupluri conectate împreună în serie, cu o parte pe suprafața fierbinte și o alta pe suprafața rece. Diferența de temperatură, fie într-un sistem de încălzire industrial, fie chiar din radiatorul electronicii de control, poate fi utilizat pentru a recicla energia, care altfel ar fi pierdută ca și căldură. De exemplu, cele mai recente module de recuperare a energiei termice operează la 50°C și pot furniza peste 6mAh, echivalentul a trei sau patru baterii AA. Acum este posibilă chiar captarea energiei radio care ne înconjoară.
Recuperarea energiei RF, în mod particular la frecvențele utilizate de telefoanele mobile GSM sau de WiFi, pot furniza până la 50mA pentru a încărca o baterie și pentru a trimite semnale.
Marea provocare este totuși capabilitatea de a utiliza plaja largă de modalități de recuperare a energiei din mediu cu un singur echipament de management energetic, în loc de a trebui să se proiecteze subsisteme separate pentru diferite surse de energie.
De exemplu, MAX17710 de la Maxim Integrated Products este un sistem complet pentru încărcarea și protejarea celulelor de stocare de micro-putere. Capabilitatea cheie este aceea că cipul poate gestiona surse slab stabilizate, precum dispozitivele de recuperare energetică cu nivele de ieșire de la 1fW la 100mW. Dispozitivul include, de asemenea, un circuit stabilizator ridicător de tensiune pentru încărcarea celulelor de la o sursă joasă de până la 0.75V (tipic). Un stabilizator intern protejează celula de supraîncărcare și tensiunile de ieșire livrate către aplicațiile țintă sunt stabilizate utilizând un stabilizator liniar cu cădere joasă de tensiune (LDO) cu tensiuni selectabile de 3.3V; 2.3V; sau 1.8V.
Stabilizatorul de ieșire operează în mod selectabil de joasă putere sau ultra-joasă putere pentru a minimiza golirea celulei. Protecția internă de tensiune previne celula de supra-descărcare. O cale importantă de a obține acest lucru, este aceea ca funcțiile de încărcare și stabilizare să opereze complet independent una față de cealaltă. Alimentarea inițială a dispozitivului apare atunci când o celulă este conectată la pinul bateriei (BATT), extrăgând doar 1nA de la celulă cu funcțiile LDO dezactivate. Odată ce sursa de recuperare energetică este activă și funcționează, iar tensiunea pe pinul de încărcare (CHG) crește peste 4.15V (VCE), dispozitivul se inițializează și permite descărcarea. El încarcă apoi celula de la sursa de energie externă conectată la pinul CHG. Oricând tensiunea pe CHG este mai mare decât tensiunea pe BATT, circuitul de recuperare energetică trece direct curentul pe celulă, fără nicio interacțiune cu dispozitivul. Atunci când CHG crește peste VCE, stabilizatorul liniar de intrare se pornește pentru a limita tensiunea de încărcare la 4.125V și protejează celula de la supraîncărcare.
Dimensiunea este importantă câtă vreme aceste noduri trebuie să se potrivească într-o amprentă cât de mică posibil, astfel că cipul este disponibil într-o capsulă ultra-subțire, UTDFN, 3mm × 3mm × 0.5mm, 12-pini.
Similar, bq25570 de la Texas Instruments este special proiectat pentru a extrage eficient energie de la microwatt la miliwatt de la surse cu impedanță de intrare mare, precum celule solare sau TEG-uri fără căderea tensiunii. Funcțiile de management energetic asigură că bateria reîncărcabilă nu este supraîncărcată de această putere extrasă, cu tensiune mai mare sau mai mică dincolo de limitele sigure pentru sarcina sistemului. Suplimentar dispozitivului de încărcare de randament ridicat, bq25570 integrează un convertor de nanoputere, coborâtor de tensiune, cu randament ridicat, pentru a oferi o a doua linie de putere sistemelor precum rețelelor senzoriale wireless (WSN) care sunt un element esențial în cadrul IoT și au solicitări de putere stringente, livrând un vârf de ieșire de 110mA. Dispozitivul este disponibil într-o capsulă QFN cu amprentă mică, 20 terminale, 3.5-mm × 3.5-mm.
Figura 2: Placa demonstrativă DC2042A combină manageri energetici pentru toate tipurile de recuperare energetică și se conectează la plăcile wireless de ultra-joasă putere.
Analog Devices Inc (ADI), prin intermediul subsidiarei sale Linear Technology, demonstrează căi de a captura energia de la toate aceste surse diferite, într-o singură placă. Placa demonstrativă DC2042A acceptă intrări de la surse de energie precum piezoelectrice, solare, bucle de 4mA – 20mA, termice sau orice alte surse AC sau DC cu impedanță ridicată.
Placa dispune de patru circuite independente utilizând sursa de putere piezoelectrică LTC3588-1 legată piezoelectric de managerul de putere și convertorul ridicător de ultrajoasă tensiune LTC3108, precum și LTC31: convertor ridicător de tensiune DC-DC cu controlul punctului de putere și stabilizator LDO. Controlerul punctului de putere urmărește tensiunea optimă la care să facă conversia, în special pentru celule solare. Pe lângă acestea, pe placă se află LTC3459, convertorul ridicător de tensiune sincron de micro-putere, 10V și supervizorul de tensiune ultrajoasă LTC2935-2/LTC2935-4 pentru a gestiona întregul design.
Captarea energiei este desigur numai o parte a poveștii, iar ieșirea plăcii poate fi utilizată pentru a alimenta placa wireless de ultra-joasă putere, precum Dust DC9003A-BMote sau kitul de dezvoltare Microchip STK. Acest lucru permite proiectanților să testeze complet nodurile pe care ei doresc să le utilizeze pentru Internetul Industrial al Lucrurilor cu o gamă largă de surse de recuperare energetică. Se permite astfel nodurilor să fie utilizate în oricâte locuri este posibil fără a trebui să se înlocuiască cu regularitate bateriile, oferind toate avantajele IIoT, fără inconveniențe.
Author:
Mark Patrick
Mouser Electronics | www.mouser.com