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

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. 7. Schemat aplikacyjny układu LTC3588

 

 

Rys. 8. Schemat blokowy 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 CSTORAGE (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.

 

 

Przed lutowaniem zasymuluj!

Czytelnicy chcący z bliska poznać układy produkowane przez Linear Technology (w tym LTC3588) mogą skorzystać z symulatora LTSpice IV dostępnego bezpłatnie na stronie producenta oraz dostępnego bezpłatnie schematu aplikacyjnego z opisem źródła odpowiadającego jednemu z przetworników piezoelektrycznych firmy Mide.
Oprogramowanie narzędziowe LTSpice IV jest dostępne pod adresem: http://www.linear.com/designtools/software/

 

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…

O autorze