. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak získat energii z okolního prostředí
30. října 2013 - 8:31 | Pandatron | Jak získat energii z okolního prostředí | Komentářů: 0  

Jak získat energii z okolního prostředí

Společnost Linear Technology svou aplikační poznámkou DN483 prakticky demonstrovala příklady výroby energii z různých fyzikálních jevů. Hlavním cílem je samozřejmě úspora provozních nákladů a možnost provozu senzorů bez použití napájecích baterií.

Nedávné pokroky v oblasti ultra-nízko příkonových mikrokontrolérů umožnily vznik systémů s vysokým stupněm integrace a zároveň značnou úsporou energie, kterou navíc podporuje možnost odpojení aktuálně nevyužívaných prvků. Bohužel, ani tento krok namění nic na tom, že se napájecí baterie musí i nadále periodicky vyměňovat, což ve větším objemu představuje již značné náklady na provoz a neustálou údržbu.

Nasnadě je tedy otázka: existuje nějaké rozumné řešení?

Odpověď je ano. Stačí využít schopnosti transformace takové energie, která je v daném místě vždy k dispozici. Jedená se především o mechanickou (kinetickou) energii, nebo tepelnou či elektromagnetickou energie, kterou je možné převést na elektrický proud a použít pro napájení bezdrátových zařízení.


Obr. 1: Příklad aplikace obvodu LTC3588-1

Obvod LTC3588-1, který je ve své základní konfiguraci uveden na obr. 1, patří do skupiny tzv. Energy Harvesting řešení, které jsme již dříve podrobně představili například články Nový Step-Up od 250mV a Step-Up pracující od 20 mV. Jeho cílem je poskytnout kompletní řešení pro získání energie, optimalizované pro aplikace s vysoko-impedančním zdrojem, jako jsou například piezoelektrické měniče. Obvod ve svém pouzdře integruje tzv. celovlnný usměrňovač s minimální ztrátou, doplněný o snižující synchronní konvertor s vysokou účinností. Funkce obvodu pak spočívá v přenosu energie ze vstupního zařízení do akumulačního kondenzátoru, ze kterého je k dispozici ve formě regulovaného napěťového výstupu, schopného do připojeného zařízení dodat proud až 100 mA.


Obr. 2: Vnitřní blokové schéma obvodu LTC3588-1

Dostupné zdroje energie
V okolním prostředí existuje celá řada potenciálních zdrojů různých forem energie, jako je například světlo, teplo, vibrace, vysokofrekvenční energie z vysílačů a řada dalších. Pokud se pak použije vhodný snímač, jsou všechny tyto zdroje schopné vyrábět elektřinu, vhodnou pro provoz malého zařízení.

Hlavními zdroji energie jsou:

  • Světlo - Malé solární panely se především v přenosných zařízeních používají již několik let. Na přímém slunci jsou schopné produkovat až energii v řádu až několika set mW/cm2, při nepřímém osvětlení se jedná o stovky µW/cm2.
  • Teplo – Generátory založené na Seebeckově jevu jsou schopny přeměnit tepelnou energii na elektřinu ve chvíli, kdy je na nich k dispozici rozdíl dvou teplot. Podle umístění jsou schopné produkovat energii od několika desítek µW/cm2 až po několik desítek mW/cm2 (například při umístění na komín pece).
  • Vibrace – Díky piezoelektrickému jevu můžeme energii vytvořit z nárazů nebo deformace snímače. Piezoelektrický prvek je schopen dodat energii v řádech několika set µW/cm2, případně v závislosti na jeho velikosti a použité technologii konstrukce.
  • VF energie – Okolní vysokofrekvenční signály mohou být vhodnou anténou zachyceny a použity k produkci energie v úrovni typicky několika set pW/cm2.

Je jasné, že v případě použití některého z uvedených zdrojů energie, je nutné v první řadě splnit dvě podmínky:

  • Vhodně navržený design autonomně pracujícího zařízení musí být proveden tak, aby řídicí mikrokontrolér a další prvky systému pracovaly s minimální spotřebou energie.
  • Použití prvků s vysokou účinností, které zajistí konverzi energie ze snímače na napětí, které by bylo vhodné pro použití v dané aplikaci. To je právě hlavní oblast činnosti uvedených obvodů, které vyrábí společnost Linear Technology.

Na následujícím obrázku je uveden blokový diagram celého řetězce přeměny mechanické energie na elektrickou.


Obr. 3: Blokový diagram procesu přeměny energie

Součástí systémy jsou tyto bloky: zdroj energie/převodník, usměrňovač, prvek schopný skladovat energii a nakonec regulátor napětí. Usměrňovač může být použit jak z důvodu prevence před návratem přeměněné energie zpět do snímače, tak i pro usměrnění střídavého signálu (např. v případě piezoelektrického snímače).


Obr. 4: Účinnost vs. výstupní proud (L=100uH)
 
Obr. 5: Průběh Power-Up sekvence

Příklady aplikací
Obvody LTC3588-1 vyžadují, aby výstupní napětí převodníku bylo vyšší, než je prahová úroveň napětí snímače, což se nastavuje pomocí pinů D0 a D1. Pokud z obvodu chceme získat maximální energii, musíme zároveň zajistit, aby napětí převodníku naprázdno bylo na úrovni dvojnásobku vstupního napětí a zkratový proud byl dvakrát vyšší, než požadovaný proud. Pokud se nám podaří tyto hardwarové požadavky splnit, můžeme z takového zdroje získat kontinuální přísun energie.


Obr. 6: V-A charakteristika piezoelektrického měniče

Aplikace piezoelektrického snímače
Tato aplikace používá piezoelektrického snímače, který se nachází v místě s trvalým prouděním vzduchu a při napětí 3,3 V je schopna vyrobit výkon zhruba 100 µW. Celková deformace piezoelektrického snímače je při 50 Hz rovna 0,5 cm.


Obr. 7: Piezoelektrický napájecí zdroj

Aplikace Seebeckova snímače
Další příklad aplikace, která je uvedena na obr. 8, využívá k získávání energie snímač, založený na Seebeckově jevu (snímače vyrábí například firma Tellurex Corporation). Výstupní napětí je zde získáno z rozdílu dvou teplot, přičemž na výstupu je nám k dispozici výkon až 300 mW. Připojením snímače k pinu PZ1 se navíc automaticky zabrání toku proudu zpět do snímače ve chvíli, kdy je zdroj tepla odstraněn. Rezistor 100 ohmů omezuje případný příliš velký proud a slouží k ochraně vstupního usměrňovače obvodu LTC3588-1.


Obr. 8: Seebeckův napájecí zdroj

Získání energii z elektromagnetického pole
Na následujícím obrázku je uveden poslední a zároveň nejzajímavější příklad aplikace získání alternativní energie. Zde je energie vyrobena z přeměny elektromagnetického pole, zachyceného v blízkosti standardní fluorescenční zářivky.

Dva měděné panely o velikosti zhruba 30 x 60 cm jsou umístěny ve vzdálenosti 15 cm od zářivky. Kapacitní vazbou s blízkým zdrojem elektromagnetického vlnění můžeme získat zhruba 200 µW energie, která je pak obvodem LTC3588-1 převedena do podoby regulovaného výstupního napětí.


Obr. 9: Zdroj, který využívá zachycenou elektromagnetickou energii

Závěr
Na několika jednoduchých příkladem jsme mohli vidět, jak je s pomocí obvodu LTC3588-1 možné zajistit trvalý zdroj energie, dostatečně velké například pro napájení vzdálených senzorů.

Jednoduchou konverzí energií, které jsou obvykle dostupné v okolním prostředí, je možné získat energii na provoz i zcela bez použití baterií. Výhodou uvedených obvodů firmy Linear Technology je integrace všech nutných částí systému, jako je nízkoztrátový usměrňovač, měnič s vysokou účinností a LDO regulátor s nízkým vlastním proudem (s detekcí poklesu napětí) do jediného čipu.

V příštím článku provedeme srovnání dostupných obvodů a představíme si praktickou aplikaci s mikrokontrolérem PIC firmy Microchip.

Odkazy & Download:
Domovská stránka výrobce
Přehled distributorů

Energy Harvester Produces Power from Local Environment, Eliminating Batteries in Wireless Sensors
LTC3588-1 - Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply
Piezoelectric Energy Harvesting Power Supply
Datasheet LTC3588-1







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Step-Up pracující od 20 mV
Nový Step-Up od 250mV
Jak získat energii z okolního prostředí

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Nano SocketLAN
Miniaturní modul Nano SocketLAN určený ke snadnému připojení jakékoli aplikace do sítě 10/100BaseT Ethernet LAN.
Skladem od 887 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007