Sursele de energie, precum lumină, vânt, temperatură, vibraţii, unde radio şi chiar PH au fost convertite în energie utilizabilă, dar provocarea este aceea de a converti cantitatea mică de energie generată pentru a realiza funcţii folositoare, precum alimentarea sigură a unui senzor de mediu.
de: Jason Tollefson, Product Marketing Manager, Microchip Technology Inc.
Captarea energiei
Sursele de energie, precum lumină, vânt, temperatură, vibraţii, unde radio şi chiar PH au fost convertite în energie utilizabilă, dar provocarea este aceea de a converti cantitatea mică de energie generată pentru a realiza funcţii folositoare, precum alimentarea sigură a unui senzor de mediu.
Tabelul 1 prezintă o varietate de metode pentru captarea acestei energii.
Cheia este de a analiza bugetul de putere, împreună cu sursa captată şi componentele necesare. Energia RF poate fi obţinută din energia ambientală sau controlată de utilizarea unui transmiţător dedicat. Dispozitivele ce utilizează energia RF capturată pot fi nelegate la vreo bază şi pot lucra aproape în orice mediu.
RF ca sursă de tensiune
Energia RF poate fi captată de la surse precum staţii de emisie TV şi staţii radio, telefoane mobile şi staţii de bază, precum şi transmiţătoare în benzi nelicenţiate, inclusiv 915MHz, 868MHz sau 2.4GHz, făcând-o comercial viabilă oriunde în lume. RF nu depinde de momentul din zi sau de expunerea la căldură sau vânt, şi poate fi mutată liber în raza sursei de transmisie.
Energia poate fi transmisă continuu, programat sau la comandă. Pentru operare în perioade de vârf, energia RF poate fi stocată într-o baterie reîncărcabilă sau un super-condensator.
Selectarea unei componente de joasă putere
O sursă de tensiune convenabilă şi sigură este doar începutul; este necesar un design potrivit al sistemului pentru a maximiza performanţele cu cantitatea mică de energie oferită. Acest lucru poate fi realizat fie prin utilizarea unor componente de putere extrem de redusă, fie prin implementarea unui sistem de echilibrare energetică.
Tendinţa către componente electronice de joasă putere este alimentată de cerinţele consumatorilor către produse portabile, şi este asigurată de noile microcontrolere de joasă putere, intrările/ieşirile analogice, transmisii radio şi protocoale de comunicaţie care completează captarea RF. Nivelele de consum de joasă putere sunt standard pentru microcontrolere. Microchip PIC24F cu tehnologie XLP (eXtreme Low Power) consumă numai 20nA în mod aşteptare, şi poate executa programe cu curenţi reduşi de până la 8µA.
Pentru a completa un senzor de mediu sunt necesare componente analogice şi un radio. Existenţa sistemului radio constrânge bugetul energetic din cauza protocolului utilizat şi a curentului Tx/Rx (transmisie/recepţie). Noile sisteme radio se adresează acestei probleme, iar acum prezintă curenţi de recepţie de 3mA, ceea ce ajută la reducerea consumului energetic, dar protocolul de comunicaţie wireless rămâne factorul decisiv.
Echilibrarea energetică
Timpii de execuţie lungi şi protocoalele wireless vor consuma bugetul energetic lucrând cu cantităţile mici de energie generate prin captură. Cheia reducerii este selectarea unui protocol care să permită funcţionalitate de scalare. Protocolul Microchip MiWi™ permite o implementare minimală, cu timpi de transmisie radio de numai 5ms. Managementul energetic prin execuţie bazată pe încărcare şi monitorizarea încărcării vor furniza şi mai multe îmbunătăţiri.
În execuţia bazată pe încărcare, puterea este redusă complet în sistemul senzorial. Atunci când colectorul energiei RF dispune de suficientă energie, dispozitivul consumă zero în vreme ce-şi completează rezerva de energie. Frecvenţa de operare a senzorului este dependentă de viteza de încărcare a rezervei de energie.
Acest lucru depinde de distanţa faţă de sursa RF, de antena receptoare şi de elementele obstructive precum pereţii şi, de aceea, senzorul trebuie astfel poziţionat astfel încât frecvenţa de operare să fie potrivită necesităţilor globale ale sistemului. Pentru a evita inundarea reţelei cu pachete care nu sunt necesare, colectorul RF poate utiliza de asemenea puterea semnalului recepţionat (RSSI) ca un mecanism de control al vitezei de transmitere a datelor.
Dacă colectorul RF încarcă o baterie, un microcontroler poate fi utilizat pentru a monitoriza lungimea ciclului de încărcare şi pentru a estima starea încărcării. El poate apoi calcula timpul de funcţionare pe baza operaţiilor ce trebuie efectuate de senzor prin înregistrarea curentului consumat pe durata diferitelor perioade de operare.
De exemplu, nodul senzorial poate consuma 100µA când măsoară ieşirea senzorului şi 20mA pe durata transmisiei radio a datelor. Microcontrolerul poate utiliza această informaţie pentru a estima încărcarea ce va fi epuizată de fiecare dată când aceste funcţii sunt completate. Starea încărcării este apoi determinată prin comparaţia dintre încărcare şi epuizare. Această metodă poate reduce frecvenţa transmisiilor senzorului, pe baza stării de încărcare şi chiar poate solicita ajutor, prin transmiterea unui mesaj către sursa de putere RF pentru a trimite mai multă putere.
Captarea energiei: soluţia practică
Captarea energiei RF este o opţiune viabilă pentru o gamă largă de aplicaţii cu tehnologie demonstrată în acest sens, oferind o platformă pentru prototipuri de produse noi.
Senzorii alimentaţi la baterii pot fi înlocuiţi cu o selecţie de componente şi un echilibru energetic. Captarea energiei RF este o soluţie practică ce oferă controlul sursei şi abilitatea de a opera în orice mediu, ceea ce poate conduce captarea energiei RF către o tendinţă globală.
Captarea energiei RF este prima opţiune dovedită şi sigură; ea respectă regulile de mediu şi cerinţele CSR, aduce un sens economic şi evită dependenţa de soare, de vânt sau de condiţii de temperatură impredictibile.
Microchip Technology
www.microchip.com
PIC este marcă înregistrată a Microchip Technology Inc. în USA şi în alte ţări. MiWi este o marcă a Microchip Technology Inc. Toate celelalte mărci menţionate aici sunt proprietatea companiilor lor.