Устройства аккумулирования энергии окружающей среды. Применение термоэлектрических преобразователей для питания беспроводных датчиков

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012

Юрий Петропавловский

В последнее время разработкой нетрадиционных источников питания, использующих энергию окружающей среды, занято несколько сотен различных организаций и фирм, объем продаж на этом сегменте рынка постоянно увеличивается. Анализом информации в этой области активно занимается международная независимая научно-исследовательская компания IDtechEX, специализирующаяся на печатной электронике, вопросах аккумулирования энергии (Energy Harvesting), радиочастотной идентификации и смарт-упаковке. Компания выпускает ежедневные обновления по тематике аккумулирования энергии на портале Energy Harvesting Journal [1].

Аккумулирование энергии из окружающей среды подразумевает преобразование свободной (неиспользуемой) природной или технологической энергии в электрическую. Источниками свободной энергии могут быть различные колебания (ветер, движение человека и механизмов, водяные потоки и т. п.), тепловые потоки, световое, инфракрасное и радиочастотное излучение, биохимические воздействия органических материалов (глюкоза, метаболические реакции) и другие источники. Свободная энергия, получаемая из окружающей среды, очень мала, непостоянна и непредсказуема. При построении источников питания, использующих этот вид энергии, необходимо усилительно-преобразовательное устройство, включаемое между элементами сбора энергии и ее потребителями (датчики, микросхемы, аккумуляторы, конденсаторы большой емкости и т.п.). В настоящее время достаточно широкое применение нашли аккумулирующие элементы на основе солнечных батарей, электромеханических устройств и термоэлектрических преобразователей.

К основным областям применения устройств для аккумулирования энергии окружающей среды относятся:

• сети связи с различными удаленным датчиками, в том числе беспроводными;
• источники питания для устройств мониторинга различных механизмов и транспортных средств;
• зарядные устройства мобильных телефонов и других портативных приборов;
• наручные часы;
• пульты дистанционного управления;
• датчики и имплантанты для медицинских приложений и многие другие области.

Большое распространение получили устройства аккумулирования кинетической энергии колебаний (движения). Часто такие устройства состоят из рамки, на которой с помощью пружины крепится груз. Рамка является резонансным устройством, закрепляемом на источнике колебаний, величина снимаемой энергии с которого определяется максимальным смещением груза и амплитудой колебаний. Существуют несколько методов преобразования энергии колебаний в электрическую: электростатический, пьезоэлектрический, электромагнитный и магнитострикционный.

Электростатические преобразователи обычно выполнены в виде конденсатора, одна из обкладок которого соединена с колеблющимся объектом, при этом переменная составляющая напряжения на конденсаторе может быть выделена. Характерным примером могут служить конденсаторные микрофоны.

Пьезоэлектрические преобразователи обычно выполнены в виде кантелеверов (упругих консолей) из пьезоэлектрического материала, механические колебания которых преобразуются в колебания электрического напряжения.

Электромагнитные преобразователи используют колебания магнитного тела внутри катушки индуктивности, на которой в результате генерируется переменное напряжение.

В магнитострикционном преобразователе изменения магнитного потока под воздействием вибрации (движения) регистрируются многослойным магниторезистивным, пьезо или магнитоэлектрическим преобразователем.

Весьма важную роль в устройствах аккумулирования энергии из окружающей среды играют усилительно-преобразовательные устройства, работающие при очень малых входных напряжениях (мощностях), снимаемых с преобразователей энергии. Ряд микросхем для устройств аккумулирования энергии окружающей среды выпускает компания Linear Technology (Милпитас, Калифорния, США). В номенклатуре продукции компании категории Energy Harvesting имеются микросхемы для работы с пьезоэлектрическими, термоэлектрическими, фотогальваническими элементами и солнечными батареями, а также универсальные преобразователи для работы с различными типами элементов сбора энергии.

Рассмотрим особенности применения устройств аккумулирования энергии окружающей среды для беспроводных датчиков различных систем. Сферами применения таких датчиков являются системы автоматизации зданий, беспроводные/автоматизированные системы измерения параметров, системы для профилактического обслуживания различных объектов, а также ряд других промышленных, военных, автомобильных и бытовых приложений.

Например, в последние годы в связи с развитием компьютерных технологий, на Западе широкое распространение получила стратегия поддержания автомобиля в исправном состоянии с помощью диагностики, получившей название Predictive Maintenance (прогнозируемое техническое обслуживание). Целью этой стратегии является обнаружение зарождающихся проблем. Для проведения диагностики различных систем автомобилей используются датчики вибрации, температуры, давления и других параметров, имеющих важное значение для обеспечения высокой эксплуатационной надежности автомобиля [2]. Использование беспроводных датчиков с питанием от энергии окружающей среды позволяет быстро и эффективно, без вскрытия узлов автомобиля, проводить диагностику всех необходимых параметров двигателей и других систем автомобилей. При этом отпадает необходимость подачи питания на многочисленные датчики, съема с них данных по проводам и замены батарей.

Во многих приложениях беспроводные датчики работают на передачу в течение небольших промежутков времени, в остальное время потребление энергии практически отсутствует, что дает возможность использования незначительной энергии, извлекаемой из окружающей среды. Например, датчик (со схемой управления и трансивером) потребляет в режиме передачи данных 30 мА при напряжении 3.3 В (Р_ПОТР = 100 мВт), при его активировании в течение 10 мс каждую секунду средняя потребляемая мощность составит 1 мВт, при дальнейшем увеличении пауз между отсчетами средняя потребляемая мощность может уменьшиться до единиц мкВт и менее.

Преобразователи энергии и беспроводные датчики в общем случае должны удовлетворять трем условиям:

• выходные параметры преобразователя должны обеспечивать возможность непосредственного питания всех схем датчиков;
• должна обеспечиваться длительная и непрерывная работа преобразователей;
• небольшая средняя мощность потребления, обычно в диапазоне 10 мкВт…10 мВт [3].

Блок-схема построения беспроводных датчиков с питанием от энергии окружающей среды приведена на Рис. 1, в качестве элементов съема энергии обычно используются солнечные, пьезоэлектрические, термоэлектрические (TEG) и некоторые другие элементы. В настоящее время доступны все компоненты, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Устройство управления питанием для систем с беспроводными датчиками должно быть небольших размеров, легким в применении и обеспечивать различные выходные напряжения. Таким требованиям удовлетворяет, например, микросхема LTC3108 фирмы Linear Technology, выполненная в корпусе DFN размерами 3 × 4 × 0.75 мм или в корпусе SSOP-16 и обеспечивающая работу при сверхнизких напряжениях, снимаемых с термоэлектрических элементов съема энергии окружающей среды.

Рисунок 1.	Блок-схема беспроводного датчика.

Структура микросхемы приведена на Рис. 2. В ее состав входят:

• автогенератор импульсов с внешним трансформатором, выполненный на полевом транзисторе с малым R_DS(ON);
• синхронный выпрямитель;
• источник образцового напряжения;
• контроллер заряда внешнего конденсатора;
• стабилизатор с малым падением напряжения (LDO);
• ограничитель тока;
• компараторы схемы установки выходного напряжения.

Рисунок 2.	Структура микросхемы LTC3108.

Микросхема с термоэлектрическим элементом съема энергии работоспособна при минимальной разности температур ∆Т на поверхностях элемента порядка 1 °С. При использовании повышающего трансформатора с соотношением числа витков обмоток 1:100 запуск блокинг-генератора микросхемы происходит при напряжении на выходе термоэлемента порядка 20 мВ. С выхода синхронного выпрямителя постоянное напряжение поступает на ключ схемы подкачки заряда, выполненный на полевом транзисторе, сток транзистора подключен к накопительному конденсатору С_OUT. Выходное напряжение V_OUT определяется управляющими напряжениями на выводах VS1, VS2 и может находиться в пределах 2.35…5 В. На выходе дополнительного стабилизатора LDO формируется постоянное напряжение 2.2 В, предназначенное для питания внешнего микропроцессора схемы беспроводного датчика.

Рисунок 3.	Конструкция термоэлектрического модуля.

Эскиз одной из конструкций термоэлектрического модуля (ТЭМ) сбора энергии окружающей среды показан на Рис. 3. Модуль построен на основе эффекта Зеебека, заключающегося в появлении ЭДС в замкнутой цепи из разнородных материалов, имеющих различные температуры. Обратный эффект, называемый эффектом Пельтье, заключается в выделении и поглощении тепла при прохождении тока через соединение разнородных проводников. ТЭМ состоит из ряда последовательно соединенных единичных полупроводниковых ячеек N и Р типов проводимости, установленных на проводящие площадки. Конструкция модуля выполнена таким образом, что ячейки различной проводимости физически контактируют с противоположными сторонами модуля. В качестве полупроводникового материала обычно используют теллурид висмута (Be₂Te₃).

Рисунок 4.	Переходные характеристики микросхемы LTC3108.

Выходное напряжение термоэлектрического модуля (ТЭМ) зависит от разности температур его различных сторон, от числа последовательно включенных полупроводниковых ячеек и от результирующего выходного сопротивления модуля. С увеличением числа ячеек растет выходное напряжение и одновременно увеличивается выходное сопротивление модуля R_SOURCE. На Рис. 4 приведены переходные характеристики микросхемы LTC3108 по выходам V_OUT, V_STORE, V_LDO при подаче на вход V_IN прямоугольного импульса размахом 100 мВ. Эффективность передачи электрической мощности от модуля к микросхеме зависит и от нелинейного входного сопротивления входа V_IN, зависящего от величины приложенного напряжения. На Рис. 5 приведены зависимости выходной мощности микросхемы с ТЭМ от сопротивления нагрузки (сопротивления входа V_IN) при различных R_SOURCE и зависимость входного сопротивления входа V_IN микросхемы от величины входного напряжения. Из графиков видно, что при малых сопротивлениях R_SOURCE (1 Ом) имеется выраженный максимум выходной мощности при входном сопротивлении R_LOAD = 1 Ом. На Рис. 6 приведены зависимости выходного напряжения V_OC на холостом ходу и мощности типового ТЭМ (площадь 30 мм², 127 ячеек, R_LOAD = 2 Ом) TEG P_OUT от разности температур его поверхностей, из графиков видно, что для получения генерации мощности 10 мВт требуемая разность температур ∆Т должна составлять 9 °С, а для получения Р_ВЫХ в 1 мВт – ∆Т=3 °С.

Рисунок 5.	Входные характеристики микросхемы с ТЭМ.

Большое значение для успешной реализации беспроводных датчиков имеет правильный выбор ТЭМ. Многие производители ТЭМ не приводят значения и зависимости выходной мощности ТЭМ от разности температур их поверхностей. Обычно приводятся значения максимального выходного напряжения Uмакс и тока Iмакс. Выбрать ТЭМ определенного размера с оптимальными характеристиками можно по максимальной отдаваемой мощности Р_ВЫХ = U_МАКС × I_МАКС и минимальному выходному сопротивлению R_SOURCE [3]. К известным производителям термоэлектрических приборов относятся компании Ferrotec, Fujitaka, Kryotherm, Laird Technology, Marlow Industries, Tellurex, Te Technology и другие [4-6].

Рисунок 6.	Выходные характеристики ТЭМ.

При конструировании устройств с ТЭМ следует учитывать влияние на эффективность преобразования энергии тепловых сопротивлений между ТЭМ и окружающей средой, ТЭМ и источником тепла (см. Рис. 7). Разность температур поверхностей ТЭМ определяется выражением

где

T_SOURCE – температура источника тепла,
T_AMBIENT – температура окружающей среды,
R_TEG – тепловое сопротивление ТЭМ (типовые значения 1…10 °С/Вт),
R_S – тепловое сопротивление источника тепла,
R_HS – тепловое сопротивление теплоотвода.

Установка теплоотвода (охлаждающего радиатора) на внешнюю поверхность ТЭМ обязательна, иначе ее температура, в связи с низким тепловым сопротивлением R_TEG модулей, будет близка к температуре внутренней поверхности модуля, что даст малые значения dT и выходной мощности ТЭМ.

Рисунок 7.	Тепловые сопротивления ТЭМ/источника тепла.

Эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую зависит также и от отношения числа витков обмоток внешнего трансформатора (Рис. 2). По рекомендациям, приведенным в [3], при работе ТЭМ с большими разностями температур используется отношение 1:50 (U_OUT более 50 мВ) или 1:20 (более 150 мВ), при малых dT (U_ВЫХ менее 50 мВ) используется отношение 1:100. На Рис. 8 приведены зависимости выходной мощности ТЭМ с площадью 22 мм² и 40 мм² фирмы Ferrotec от разницы температур при различных отношениях числа витков.

Рисунок 8.	Выходные характеристики ТЭМ.

Типовое включение микросхемы LTC3108 в беспроводном датчике с ТЭМ 9500/128/100В (S = 40 мм², R_SOURCE = 1.25 Ом, U_ВЫХ 40 мВ…1 В) фирмы Ferrotec и трансформатором LPR6235-123QML фирмы Coilcraft с отношением числа витков обмоток 1:50 приведено на Рис. 9. Диапазон оптимальных разностей температур поверхностей ТЭМ находится в пределах 2…10 °С, запуск генератора импульсов и заряд конденсатора С_OUT происходит при dT более 2 °С. Съем данных и ВЧ излучение беспроводных датчиков обычно включаются в течение коротких интервалов времени, а емкость конденсатора С_OUT при импульсном характере тока в нагрузке определяется выражением

где

I_ИМП – импульсный ток в нагрузке,
t_ИМП – длительность импульса,
dV_ВЫХ – допустимое падение напряжения на нагрузке.

Рисунок 9.	Типовое включение микросхемы LTC3108 с ТЭМ.

Для схемы на Рис. 9 емкость конденсатора С_OUT = 470 мкФ выбрана для значений I_ИМП = 15 мА, t_ИМП = 10 мс, dV_ВЫХ = 0.33 В (при номинальном выходном напряжении 3.3 В). Средний ток потребления при таких параметрах составляет 560 мкА, средняя мощность в нагрузке

Р_СР = 3.3 В × 560 мкА = 1.85 мВт,

мощность потребления в импульсе

Р_ИМП = 3.3 В × 15 мА = 49.5 мВт.

Время, необходимое для заряда конденсатора С_OUT составляет

t_ЗАР = 470 мкФ × 3.3 В / 560 мкА = 2.77 с,

коэффициент заполнения импульсов (Duty cycle) – 1.85 мВт/49.5 мВт = 0.037 (3.7%), а максимальная частота включения беспроводного датчика на передачу составляет 3.7 Гц.

Для функционирования микропроцессора беспроводного датчика необходима поддержка достаточно стабильного (без провалов) напряжения питания, что достигается за счет энергии заряженного конденсатора C_STORE (Рис. 2). Напряжение питания экономичных микропроцессоров обычно может находиться в пределах 3…5.5 В, при емкости конденсатора C_STORE = 0.1 Ф, токопотреблении микропроцессора 6 мкА, I_ИМП = 15 мА, f_СЧИТ = 2 Гц время работы схемы составит 637 с (при снижении напряжения V_STORE с 5.25 В до 3.3 В). Основное требование к конденсатору C_STORE – минимальная утечка заряда и малые потери, можно использовать конденсаторы серий BestCap, TAJ, TPS фирмы AVX, серии GZ фирмы Сар-ХХ, серий KR, P фирмы Cooper/Bussmann, серий Tantamount 592D, 595D Tantalum, 150CRZ, 153CRV Aluminum, 013 RLC фирмы Vishay/Sprague.

Рисунок 10.	Типовое включение микросхемы LTC3108-1 с ТЭМ.

В ряде приложений беспроводные датчики питаются не импульсным, а постоянным током, в таких случаях в схемы вводят резервные источники питания. На Рис. 10 приведена схема беспроводного датчика с постоянным потреблением тока 200 мкА при напряжении 2.2 В. С ТЭМ типа 9500/127/100В фирмы Ferrotec требуемые параметры обеспечиваются при dT = 3 °С и более. Если разность температур меньше 3 °С, питание узлов датчика производится от литиевой батареи с напряжением 3 В (при dT больше 3 °С батарея отключена).

Рисунок 11.	Компоновка платы беспроводного датчика.

В заключение рассмотрим другие особенности микросхемы LTC3108 и ее основные параметры. Области применения микросхемы, рекомендованные производителем:

• удаленные датчики и радиомаяки;
• аккумуляторы избыточной тепловой энергии;
• системы вентиляции и кондиционирования (HVAC Systems);
• промышленные беспроводные датчики;
• автоматические измерительные устройства;
• системы автоматизации зданий;
• системы для прогнозируемого технического обслуживания (Predictive Maintenance).

Особенности и основные параметры микросхем:

• низкое входное напряжение (от 20 мВ);
• программируемые выходные напряжения 2.35 В; 3.3 В; 4.1 В; 5 В; V_LDO 2.2 В/3 мА;
• выдача сигнала «Power Good» (питание в норме);
• собственный ток потребления по цепи V_OUT – 0.2 мкА; по цепи V_AUX – 6 мкА;
• падение напряжения на стабилизаторе LDO – 100 мВ;
• ток утечки по выводам V_STORE, V_OUT2 – 0.1 мкА.

Пример компоновки элементов и назначение выводов микросхемы в корпусе DFN приведены на Рис. 11.