Energy harvesting, czyli prąd z niczego

Na rysunku 5 pokazano charakterystyki generatora rezonującego bez dodatkowych obciążników dla różnych wartości przyspieszeń, a na rysunku 6 podobne przebiegi, ale dla płytki obciążonej ciężarkiem 4,8 g, czego skutkiem jest obniżenie częstotliwości rezonansowej ze 110 Hz do 40 Hz i jednoczesny blisko 10-krotny wzrost generowanej mocy. Na rysunkach wyraźnie także widać różnice w amplitudach generowanych napięć dla obydwu przypadków.

Rys. 6. Charakterystyki generatora dla różnych wartości przyspieszeń, rezonującego z dodatkowym obciążnikiem

Wyspecjalizowany konwerter

Firma Mide Technology Corporation zdając sobie sprawę z możliwych trudności z praktycznym wdrażaniem produkowanych przez siebie generatorów piezoelektrycznych, porozumiała się z jednym z największych producentów układów analogowych – firmą Linear Technology – która opracowała i wdrożyła do produkcji wyspecjalizowaną przetwornicę AC/DC przystosowaną do współpracy z nimi. Dzięki zastosowaniu układu LTC3588 kompletny zasilacz z „harvestingowym” źródłem energii jest tak prosty, jak pokazano na rysunku 7.

Rys. 7. Schemat aplikacyjny układu LTC3588

Rys. 8. Schemat blokowy układu LTC3588

Napięcie wyjściowe przetwornicy jest ustalane za pomocą 2-bitowego wejścia cyfrowego na jedną z czterech predefiniowanych wartości: 1,8, 2,5, 3,3 lub 3,6 V. Jest ono uzyskiwane w przetwornicy indukcyjnej obniżającej napięcie, na wejście której jest podawane wyprostowane (za pomocą wewnętrznego mostka dwupołówkowego – schemat blokowy układu LTC3588 pokazano na rysunku 8) napięcie z generatora. Napięcie z generatora jest filtrowane za pomocą kondensatora C_STORAGE (rysunek 8), który spełnia także rolę magazynu ładunku pozwalającego przetwornicy pracować przez pewien czasu w chwilach zaniku drgań napędzających płytkę rezonansową. Żeby zapewnić możliwość stabilnej pracy systemu zasilanego z wyjścia tak zasilanej przetwornicy, układ LTC3588 wytwarza sygnał Power Good sygnalizujący poprawną wartość napięcia wyjściowego. W razie konieczności układ LTC3588 może współpracować także z akumulatorem – wtedy energia uzyskiwana z przetwornika wspiera jego pracę, wydłużając czas eksploatacji.

Wątpliwości

Wartości mocy uzyskiwanych za pomocą generatorów piezoelektrycznych nie są obecnie oszałamiające, ale wystarczają do zasilenia na przykład prostego systemu pomiarowego z 32-bitowym mikrokontrolerem z rdzeniem Cortex-M3 (z rodziny EFM32 firmy EnergyMicro) współpracującego z 3-osiowym czujnikiem przyspieszenia, z którego dane są wysyłane drogą radiową przez transceiver ZigBee. Zestaw testowy, opracowany wspólnie przez inżynierów z firm Energy Micro AS, Linear Technology i Mide jest spektakularnie energooszczędny, przede wszystkim ze względu na zastosowane w nim elementy, ale najważniejsze jest to, że dowodzi możliwości sensownego praktycznego zastosowania nowoczesnych źródeł energii, której m.in. w postaci zbędnych drgań bardzo wiele marnujemy…