當(dāng)生物電路開始進入我們的產(chǎn)品時,我們需要喂它們。想象一下喂你的iPad吧。在此之前,我們的技術(shù)依賴于通過線路,電池和發(fā)電機提供的電能。
但正如T. Henry Morray所說,“世界處于能源之?!?,能量收集工程師終于開始服用仔細看看我們周圍的能源,我們可以利用。雖然像Morray和Tesla這樣的人追求并展示了現(xiàn)代科學(xué)剛剛開始為群眾解開的回避零點能量,輻射能量和真空能量,但是能量收集工程師專注于更具體和易于理解的商業(yè)來源,如振動,光,熱電和EMR/RF。
本文將介紹不同類型能量收集源的能量分布,并在Cymbet能量收集評估套件中查看“引擎蓋下”。該套件可接收來自太陽能,熱能,EM/RF和振動源的能量。然后它調(diào)節(jié)能量為公司的固態(tài)可充電電池充電,這反過來在我們的電路需要時提供電力。
理解基線
不同的采收能源具有非常不同的特征。因此,對它們的充分了解將讓我們設(shè)計出更好的方法來捕獲它們的能量而不會浪費。
光伏太陽能電池是最常見和最廣泛部署的能量收集設(shè)備。它們具有各種尺寸和額定功率,并提供與其敏感波長處的入射輻射強度成比例的可變DC功率電平。
總體而言,有三種主要類型的光伏太陽能電池可用,基于單晶,多晶和非晶結(jié)晶材料。
單晶和多晶電池是最古老的類型,基于晶體形式的硅半導(dǎo)體。它們在光照下基于空穴和電子對的分離實現(xiàn)光電效應(yīng)(見圖1)。
圖1:隨著電子遷移在電極側(cè),產(chǎn)生凈正電荷,使電流流動。
單晶和多晶光伏電池在陰影或部分陰影時可能會失去效率,但即使在較高溫度下也能正常工作,使其成為外太陽能的理想選擇。無定形光電池是能量收集的理想選擇,因為它們可以做得很?。ㄐ∮?μM)。另外,它們可以粘附或沉積在剛性金屬或柔性塑料上作為載體基底。它們使用不規(guī)則的原子排列(見圖2),允許更高的光吸收,從而產(chǎn)生更多的能量。非晶硅光電電池在部分遮光中也能更好地工作,使其適用于室內(nèi)應(yīng)用,特別是因為它們在較高溫度下會失效。
圖2:非晶硅電池的不規(guī)則形狀允許更高的光吸收,使這些電池變得非常薄,甚至靈活。
小我們可以直接連接到我們的應(yīng)用中的分立和串行/并聯(lián)晶圓可以隨時提供。例如,三洋的非晶AM-5610CAR為25 x 20 mm,完全照明時在2.4 mA穩(wěn)定電流下產(chǎn)生5.1伏電壓。這足以運行一個小型設(shè)備并同時為電池充電。
其中一些電池可以提取相當(dāng)多的電量。看看三洋AM-8702CAR。這種分立導(dǎo)線,扁平,剛性非晶光電太陽能電池被串行化,以超過17 mA的電壓輸出6伏電壓。 -100至+ 600C的額定值足以滿足大多數(shù)戶外應(yīng)用以及室內(nèi)照明的室內(nèi)設(shè)備。
不要完全折扣晶體電池用于收割應(yīng)用。有一些漂亮的小晶體電池,如IXYS公司的KXOB22-01X8,可以表面貼裝,在4.4 mA時輸出令人印象深刻的4.7伏電壓。同樣,IXYS公司提供小型單片表面貼裝電池,如CPC1831N,采用8引腳SOIC封裝。這部分產(chǎn)生了令人印象深刻的8伏電壓,但電流較低,為25μA(見圖3)。
圖3:小型表面貼裝封裝光伏電池為低功率電路提供能量(由IXYS公司提供)。
雖然光是最廣泛使用的環(huán)境能量形式,但其他光開始進入。
振動沖擊和沖擊類型的能量收集通常使用壓電換能器將物理分子運動轉(zhuǎn)換為可以捕獲的電脈沖。動態(tài)范圍為毫伏至數(shù)百伏,因此必須采用電路來捕獲和保護高壓尖峰。
并非每個應(yīng)用都能利用沖擊和振動來獲取能量,但卡車等應(yīng)用底盤傳感器,機電工廠機器傳感器和執(zhí)行器經(jīng)常暴露于沖擊波和/或穩(wěn)定的高水平振動。這里可以使用壓電傳感器。以MIDéTechnologyCorporation的V25W壓電能量收集機為例。這種靈活的平面設(shè)備對60至140 Hz范圍內(nèi)的振動非常敏感,使其能夠根據(jù)表面的偏轉(zhuǎn)和變形實時捕獲能量。例如,這對于50和60 Hz旋轉(zhuǎn)機器來說是理想的,否則其振動會完全浪費能量。
由于壓電能量收集的交流和脈沖特性,需要進行整流和濾波,因此電路保護,因為脈沖沖擊可以產(chǎn)生非常高的電壓。沖擊和振動的能量分布幾乎與太陽能電池相反(見圖4)。對于壓電電池,能量捕獲和量化更難確定。
圖4:壓電采集器的能量增加,直到其工作電壓達到其開路電壓的一半左右(左圖)。將此與標準太陽能電池的能量曲線進行比較,當(dāng)電流為短路電流的百分比時,最佳功率會出現(xiàn)(右圖)。
對于壓電傳感器,您需要使用尖端質(zhì)量,頻率表和數(shù)據(jù)表中的曲線,以估算開路和工作電壓。請注意,加速度也可以用作壓電能量傳感器的能量來源。
Digi-Key網(wǎng)站上的壓電能量收集訓(xùn)練模塊討論了可用于將電力從壓電設(shè)備傳輸?shù)诫娐贰?/p>
用于能量收集的熱電源尚未像光伏和壓電一樣受歡迎,但它們具有很大的潛力。兩種類型的設(shè)備通過溫度變化產(chǎn)生功率:熱電偶和珀耳帖效應(yīng)設(shè)備。雖然兩種器件都采用不同金屬結(jié)的原理來產(chǎn)生電壓電位,但熱電偶主要用于溫度傳感器,因為它們產(chǎn)生非常低的電流。它們可以大規(guī)模并聯(lián)以增加產(chǎn)量,但到目前為止,這還沒有被證明是一種經(jīng)濟有效的解決方案。另一方面,Peltier效應(yīng)器件主要用于加熱和冷卻應(yīng)用,但是效果是對稱的。這意味著只要您保持一側(cè)冷卻而另一側(cè)加熱,它將產(chǎn)生與雙方溫度差成比例的功率。
幸運的是,Peltier效應(yīng)器件有各種各樣的尺寸和配置。例如,Laird Technologies的較小的分立式430290-501提供了不對稱的側(cè)面,可以處理大約700C的溫差(見圖5)。來自CUI的較大的CPM-2F組件是預(yù)制的,通過直接粘合到陶瓷基板上的鋁板最大限度地吸收熱量。
圖5:基于熱電模塊的熱電模塊Peltier效應(yīng)器件通常用于電子加熱和冷卻,但由于效果是對稱的,它們也可用于提取溫度差異的電能(Laird Technologies提供)。
熱電器件還沒有作為能量采集器被廣泛采用,因此數(shù)據(jù)表通常不提供使用它們從環(huán)境中提取電能的詳細信息。這些器件通常在低電壓下輸出更高的電流,并且需要調(diào)節(jié)和電壓轉(zhuǎn)換才有用。它們出現(xiàn)在混合太陽能管中,除了發(fā)電之外還充當(dāng)乙二醇加熱器,因此我們應(yīng)該隨著時間的推移看到更多的能量收集應(yīng)用信息。
最后開始獲得牽引力的能量收集電源是可以捕獲到電子電路的RF/EM輻射。雖然我們已經(jīng)看到這種技術(shù)以有限的方式用于RF ID系統(tǒng) - 從讀取器獲取RF能量并提取足夠的功率來加載調(diào)制輸出信號 - 但捕獲的能量數(shù)量還不足以為節(jié)能微控制器供電和通訊鏈接。
然而,像無線充電系統(tǒng)這樣的近場輻射系統(tǒng)可以。天線基本上是一個電感器,充當(dāng)變壓器的一半。物理隔離的發(fā)射器輻射AC場,天線可以拾取,整流并用作電源。 PC板薄餅螺旋天線可用于避免更昂貴和沉重的電感(見圖6)。
圖6:PC板平面天線可以產(chǎn)生輻射的交流電場,電感器或另一個PC平面天線可以從中獲取能量。這為一些能量收集應(yīng)用創(chuàng)造了低成本的近場電源。
雖然能源確實在我們周圍,甚至可以被捕獲,但是如何處理它是我們聰明的追求能夠支付的地方關(guān)閉。有效的功率轉(zhuǎn)換,調(diào)節(jié),充電和存儲以及提供捕獲功率的能力是我們的設(shè)計發(fā)揮作用的地方。
基礎(chǔ)技術(shù)
Cymbet制造和銷售固體狀態(tài)可充電電池,可以表面安裝到小型PC板上,用于低功耗,備用電池,RTC和SRAM保留應(yīng)用。所謂的EnerChips具有平坦穩(wěn)定的電壓曲線;高充電/放電循環(huán)壽命(通常為5,000);自我放電率非常低(通常為五年);
EnerChips是基于一種新的固體薄膜,制作為晶圓并像集成電路芯片一樣封裝(見圖7)??梢允褂脴藴实幕亓骱讣夹g(shù),并且沒有可以泄漏,干燥或著火的腐蝕性易燃溶劑。由于EnerChips采用環(huán)保材料制造,因此沒有特殊的處理要求。這也使它們非常適合小型密封設(shè)計,如可穿戴醫(yī)療設(shè)備。
圖7:EnerChips就像標準IC一樣制造可能泄漏的溶劑和易燃電解質(zhì)(由Cymbet提供)。
EnerChips的評級為每小時12,50和100μA,并且可以將公司的充電控制器集成到一個封裝中。這意味著您可以設(shè)計自己的充電/放電能量接口控制器或使用Cymbet的CBC915 EnerChip能量處理器,它基本上是一個專用控制器和定序器,用于控制和監(jiān)控電池的充電速率,放電速率和狀態(tài)。它還支持串聯(lián)和并聯(lián)配置的多個電池,以提供更高的功率容量。
由于電池具有如此平坦的放電曲線,因此很難知道它們僅僅從電壓讀數(shù)中保持多少能量。需要主動監(jiān)測和氣體計量來解決這個問題。 Cymbet的CBC915可以解決這個問題。
如果您正在設(shè)計自己的充電控制器,您需要實施精確的4.1伏充電調(diào)節(jié)器并監(jiān)控放電速率,以免過快放電。電壓過高,容量降低;電壓太低,不會完全充電。此外,需要密切監(jiān)控端子電壓,如果電池電壓降至3.0伏或更低,用戶的設(shè)計必須消除任何負載。這也會損壞電池。再一次,CBC915負責(zé)這一點。
單獨的電池輸出額定電壓為3.8伏,沒有嵌入式充電控制器。當(dāng)使用集成充電控制器時,電池輸出穩(wěn)壓且可立即使用的3.3伏電壓 - 非常適用于當(dāng)今的許多設(shè)計。
數(shù)據(jù)手冊詳細介紹了理想的放電率。電池。通過這種方式,您可以知道是否需要多個并聯(lián),尤其是在使用更高電流消耗的脈沖時刻(例如RF應(yīng)用)時。 Cymbet提供了一份應(yīng)用說明,介紹了如何估算電池壽命以及RF等脈沖放電應(yīng)用的設(shè)計??傮w而言,當(dāng)放電率較低時,電池性能和壽命最佳。
套件價值千言萬語
EnerChips的小尺寸和特性使其具有低功耗電子設(shè)備,例如無線傳感器,可以從當(dāng)?shù)丨h(huán)境中收集足夠的環(huán)境能量以自行運行。為了證明使用能量收集來收集能量并為EnerChips充電,Cymbet已經(jīng)提供了CBC-EVAL-09通用能量收集器評估套件(見圖8)。
圖8:能量收集器評估套件具有太陽能,EM/RF,熱和振動能源接口,并包含公司的充電控制器芯片(由Cymbet提供)。
DIP開關(guān)設(shè)置配置電路板接受電源基本上有五個調(diào)理電路接口:高壓直流輸入,兩個高壓交流輸入,兩個低壓交流輸入和一個直流直流輸入(見圖9)。用于不同能量源的示例電路包括升壓轉(zhuǎn)換器,兩個電荷泵和反激轉(zhuǎn)換器。 DC輸出端的固態(tài)開關(guān)允許CBC915控制器從充電狀態(tài)進入放電狀態(tài),并在有條件能量可用時自動返回。還有一個低電池切斷開關(guān),用于保護不應(yīng)低于3伏的電池。
圖9:橋式整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電高壓和低壓交流輸入;電荷泵,反激和升壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)充電控制器芯片的能量,控制和監(jiān)控電池放電(圖片由Cymbet提供)。
拆包和連接
我收到了CBC-EVAL-09通用能量收集器評估套件并打開包括主板,示例光電池,扁平柔性電纜和CD ROM的內(nèi)容。在CD ROM上有這個評估套件的所有數(shù)據(jù)表,應(yīng)用說明和手冊,以及Cymbet提供的其他評估套件。
我喜歡100密耳的間距引腳頭,因為它們提供了一個簡單的接口。使用這些引腳,我能夠連接我自己的太陽能電池,以快速測試電路板。我也很喜歡電路板的布局 - 所有能量轉(zhuǎn)換電路都在左側(cè),能量控制器芯片位于中心位置,每個引腳的測試點都可以輕松進行探測。右側(cè)有嵌入式EnerChip CBC51100模塊,其中包含兩個50μA/小時的電池,一個CBC050可充電電池和一個CBC3150智能薄膜電池,其中包含電池和充電控制器。這提供了一個3.3伏,每小時100μA的電源,可以通過能量收集進行充電,并在我的測試負載下放電。
DIP開關(guān)是微型的,所以我需要好的眼鏡來閱讀參考標志,但手冊也有大尺寸的開關(guān),按鈕,指示器和連接器的打印件,我可以參考。
我喜歡在按下一個小開關(guān)按鈕之前狀態(tài)LED不起作用。這使我能夠看到操作狀態(tài),但不是為了點亮指示器而將功率拉開。當(dāng)控制器跟蹤最大功率時,三個狀態(tài)指示器讓我知道;當(dāng)保持電容充電時;當(dāng)EnerChips收費時;當(dāng)輸出功率受到調(diào)節(jié)時。一個很好的功能是CB915找到輸入傳感器的最大峰值功率點并指示它已鎖定。
我也喜歡折疊的引腳測試點,我可以輕松地連接儀表。這讓我可以看到來自我的電源和負載的電池電壓,電容器電壓和輸入電壓。
隨著附帶的電池供電,我能夠看到1.39伏輸入被提升到4.02伏特EnerChips喜歡看(參見圖10)。充電電壓調(diào)節(jié)得越好,從EnerChips看到的性能就越好。
圖10:測試設(shè)置讓我很容易配置和連接各種能源設(shè)備并評估Cymbet提供的收獲和充電技術(shù)。
當(dāng)我嘗試從我的一個太陽能庭院燈中取出的太陽能電池時,我能夠看到它的輸出電壓低于所提供的太陽能電池的輸出電壓。幾秒鐘后,EC LED指示即使在較低電壓下EnerChip正在充電,再過幾秒鐘后,我看到MPPT LED指示燈閃爍,表明控制器已找到并鎖定在電池的最大功率點上。正在使用。
當(dāng)太陽落山時,我看到充電速度減慢了,但是電路仍在提取能量,并且仍在向電池發(fā)出電荷脈沖,盡管速度較慢。
我將熱電設(shè)備連接到接頭并計劃測試這個,并且我可以立即構(gòu)建一個可以控制和監(jiān)控兩個板的溫度的測試裝置。這將讓我描述不同溫度下的可用能量。
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