Получение энергии из окружающей среды, даже в небольшом количестве, сегодня является очень важным вопросом. Портативные носимые устройства, особенно Интернет вещей (IoT), требуют автономного источника питания малой мощности, основанного на различных методах получения энергии из окружающей среды.
Чтобы эффективно использовать энергию полученную из окружающей среды, производители интегральных микросхем предлагают специализированные контроллеры, которые управляют не только самим процессом накопления энергии, но также обеспечивают соответствующую защиту и распределение получаемой мощности. Примером такой схемы выступает LTC3588 от Analog Devices, используемый в этом устройстве. Её внутренняя схема показана на рисунке.
Микросхема предназначена для работы с пьезогенераторами, фотоэлектрическими и химическим элементами. Полученная энергия может храниться в суперконденсаторе EDLC, который обеспечивает непрерывное питание взаимодействующей схемы, когда нет возможности использования альтернативных источников. Использование суперконденсатора (ионистора) облегчает питание устройств с высокой динамикой потребления тока, таких как, например, радиопередатчики.
Модуль пьезоэлектрического генератора с напряжением не более 20 В (например S118-J1SS-1808YB) подключается к клеммам 1 и 2 разъема IN. Генерируемое переменное напряжение выпрямляется встроенным диодным мостом в U1 (контакты PZ1, PZ2) и ограничивается до 20 В постоянного тока. После выпрямления напряжение используется для питания шины (вывод VIN), к которой подключен конденсатор CE1, поддерживая первичную сторону заряда преобразователя. К этой шине также могут быть подключены химические источники энергии (аккумуляторы), обеспечивающие бесперебойное питание при отсутствии другой энергии. Диод D1 защищает аккумулятор от обратного тока, а схему от обратного подключения. Батарея 9 В подключается к клеммам BAT +, BAT– разъема IN.
Принципиальная схема модуля
Из-за высокой цены пьезогенераторов и небольшой мощности, которую можно получить от них (для S118-J1SS-1808YB максимум 20 мВт при идеальных условиях механического резонанса), модуль также может работать с альтернативным источником энергии, например с солнечными элементами.
Напряжение на шине VIN после превышения порога ULVO (для 3,3 В порог составляет примерно 5 В) активирует встроенный понижающий преобразователь. Выходное напряжение преобразователя, определяемое выводами D0 и D1, будет 3,3 В. Выход PG сигнализирует правильность выходного напряжения, порог активации составляет 92% от Uвых (приблизительно 3 В для 3,3 В), высокое состояние указывает на правильность подачи питания.
Способ монтажа меняется в зависимости от используемого ионистора. В случае двух отдельных конденсаторов CS1, CS2 они устанавливаются на стороне компонентов. Но если используем блочный конденсатор CS, то припаиваем его со стороны печати и не устанавливаем балансировочные резисторы R1 и R2, потому что они встроены в блок и излишне нагружают преобразователь.
Корпуса тяжелых конденсаторов, подверженные вибрации, необходимо дополнительно защитить эластичным герметизирующим составом. Собранный модуль БП в версии с двумя конденсаторами EDLC показан на фотографии.
Как и любой механический элемент, работающий в резонансе, пьезомодуль необходимо настроить на частоту вибрации. Для этого подключаем осциллограф к клеммам устройства и, изменяя нагрузочную массу, пытаемся получить максимальное выходное напряжение, генерируемое вибрирующим объектом.
Одна из проблем – это изменчивость частоты колебаний реальных объектов, которая влияет на количество получаемой энергии. Например, вентиляторы, компрессоры, трансформаторы или двигатели внутреннего сгорания, работающие с определенной частотой вращения, имеют заранее определенный спектр вибраций, где можно получить оптимальную энергию после настройки. В других случаях как амплитуда, так и частота подвержены непредсказуемым изменениям, что снижает получаемую энергию, например, использование энергии удара во время вождения автомобиля (вибрации исчезают) или вибрации стиральной машины или центрифуги возникают только периодически.
Получить солнечную энергию намного проще – пока светит солнце она есть. В зависимости от мощности время зарядки и ожидания схемы может составлять от нескольких часов до нескольких минут. При работе с аккумулятором подключать его к модулю стоит только после полной зарядки ионисторов, иначе безвозвратно потратим содержащуюся в нем энергию на их зарядку. Если нет времени ждать, пока энергия будет получена из окружающей среды, то во время первой зарядки к клеммам PV + / PV– можно подключить внешний источник питания, и таким образом суперконденсаторы будут полностью заряжены.
