Jste zde

Netradiční napájecí zdroj - napájení zařízení z vibrací

Antonín Vojáček, 14. Květen 2010 - 20:11

Napájení přenosných či bezdrátových zařízení nemusí být nutně jen pomocí baterie či solárního článku. Nejnověji je možné použít i napájení z vibrací (např. při chůzi) s použitím piezoelektrického měniče. Jímání a přeměna tak malého množství generované el. energie není jednoduchá. Pro konstrukci takového zdroje je však k dispozici například obvod LTC3588.

Napájení přenosných nebo od síťového zdroje vzdálených zařízení pomocí baterií či akumulátorů je běžné. Již jsem si i zvykli na možnost napájení zařízení pomocí el. energie generované světlem v solárním panelu (např. u kalkulaček, inteligentního elektronického dopravního značení nebo u bezdrátového osvětlení apod.). Tím však nejsou všechny možnosti, co nám poskytuje fyzika, vyčerpány. Existují i další zdroje energie (často klasifikované jako odpadové či nežádoucí), kterých je v našem životě okolo nás mnoho a jsou stále nevyužity. Jmenovat lze například energii mechanických vibrací a tepelnou energii, které lze na energii elektrickou přeměnit například pomocí piezoelektrického elementu a termočlánků. Ano, tyto principy jsou známy již velmi dlouho, ale doposud jimi dodávaný elektrický výkon byl příliš malý na to, aby šel nějak smysluplně využít. V současné době a jistě i budoucnosti však díky stále se snižující spotřebě integrovaných elektronických obvodů a senzorů to již začíná být zajímavé. Mimo to různé bezdrátově komunikující senzory již dnes elektřinu spotřebovávají jen „nárazově“ v momentech, kdy snímají či komunikují (např. jen jednou za 1 sekundu) a jinak mají v nízkopříkonovém režimu odběr i jen několika mikroampér. Napájení je tak možné koncipovat formou „blesku fotoaparátu“, kde je možné například po dobu jedné sekundy kontinuálně kumulovat velmi malé množství energie v řádu mikro či nanowatů, která se pak nárazově spotřebuje po dobu několika milisekund. Průměrná spotřeba takto pracujícího zařízení je však minimální.

To již pochopili i různí výrobci integrovaných obvodů a začínají proto navrhovat a produkovat speciální nízkoztrátové řídící napájecí obvody, které jsou právě schopny transformovat nepatrné množství kontinuálně či impulsně dodávaného miniaturního výkonu například z mechanických vibrací pomocí piezoelektrického měniče na výstupní napětí 1,8 až 3,6 V DC při zatížení 50 či krátkodobě až 100 mA. To již jsou slušné hodnoty pro napájení bezdrátového senzoru či malé LED svítilny. Například právě přenosnou svítilnu obvykle používáte při pohybu a proč tedy generované vibrace výhodně ekologicky i ekonomicky nevyužít pro její napájení? Příkladem jednoho z nejnovějších integrovaných obvodů pro realizaci tohoto napájení je LTC3588 od společnosti Linear Technology.

Příklad speciálně konstruovaného piezoelektrického měniče pro přeměnu vibrací na el. energii

Napájecí obvod LTC3588

Integrovaný napájecí obvod LTC 3588 od společnosti Linear Technology vytváří velmi účinný napájecí systém schopný přeměnit skoro libovolný zdroj velmi slabé elektrické energie na napájecí zdroj 1,8 až 3,6 V zatížitelný proudem až 100 mA. Primárně byl přitom navržen pro přeměnu el. energie piezoelektrických elementů vznikající na základě snímání mechanických vibrací. Protože však typický piezoelektrický měnič je schopen při napětí několika voltů dodávat proud jen v řádu jednotek či desítek mikroampérů, musí se obvod vyznačovat jen velmi nízkou vlastní spotřebou. Ta je zde v případě, kdy je automaticky odpojen napájecí výstup obvodu a obvod pracuje v režimu jímání energie do externě připojeného kondenzátoru, pouze max. 950 nA.

Pokud je v kondenzátoru nasbíráno dostatečné množství energie, spustí se její přenos na výstup obvodu, kde již může sloužit pro napájení zařízení. Pokud vlivem malého přísunu energie z piezoelementu poklesne napětí na kondenzátoru pod kritickou mez, přenos na výstup se opět zastaví. O tom je také informováno napájené zařízení informačním signálem. V tomto momentě je vlastní spotřeba obvodu velmi nízká (jen cca 700 nA), čímž se maximalizuje jímání energie.

Mimo připojení piezoelementu lze obvod také použít pro regulaci napájení z dalších slabých zdrojů el. energie, jako například solárních článků, termočlánků či pro jímání energie silného elmag. pole.

Popis struktury obvodu

Základem celé struktury integrovaného obvodu jsou následující bloky:

můstkový usměrňovač
řídící blok UVLO
spínaný snižující DC/DC měnič (Buck converter)

Pro sbírání energie z piezoelementu připojeného na vstupy PZ1 a PZ2 je velmi důležitý pin VIN pro připojení externího energii jímacího kondenzátoru. Ten je uvnitř obvodu přímo napojen na výstup můstkového usměrňovače se vstupy PZ1 a PZ2, je chráněn proti napětí větším než 20V, které může na napájecích vstupech nekontrolovaně vzniknout. Speciální můstkový zesilovač vytváří na sobě úbytek napětí jen 400 mV.

Na jeho výstup je zároveň paralelně připojen vstup zmíněného DC/DC měniče a také vstup řídícího UVLO bloku (UnderVoltage Lockout). Ten má prakticky „na triku“ řízení funkce obvodu. Neustále monitoruje napětí na jímacím kondenzátoru na vstupu VIN a na základě jeho hodnoty povoluje či zablokovává funkci spínaného DC/DC měniče s komplementární dvojicí výstupních tranzistorů NMOS / PMOS. Ten slouží k pulsnímu přenosu energie z jímacího kondenzátoru na vstup externího LC filtru (SW vývod obvodu). Řídící logika měniče pak na základě napětí na výstupním kondenzátoru (měřeného přes vstup VOUT) řídí frekvenci spínaní tranzistorů, resp. přechod měniče z a do spícího režimu v případě, že zdroj není zatížen. Tím se minimalizuje spotřeba obvodu a co největší množství přeměněné energie se tak uskladní. Pomocí binárních vstupů DO a D1 se volí jeden z požadovaných výstupních napětí 1,8 / 2,5 / 3,3 / 3,6 V DC.

Bližší popis funkce

Připojený piezoelektrický element (zde PFCB-W14) či případně jiný zdroj slabé elektrické energie o napětí 4,5 až 20 V, který je schopen dodávat proud alespoň v řádu jednotek mikroampér, dodává prostřednictvím zmíněného usměrňovače stejnosměrné napětí a proud do jímacího kondenzátoru CSTORAGE, který se tím nabíjí. Dokud napětí nepřekročí řídicí náběžnou úroveň UVLO bloku je výstupní DC/DC měnič vypnutý a z jímacího kondenzátoru CSTORAGE, resp. energie piezoelementu, odebírán jen proud vnitřní spotřeby obvodu (cca 450 nA).

Když napětí na kondenzátoru překročí řídicí náběžnou úroveň UVLO bloku (VIN = 4,5 V), zapne se funkce měniče, který začne v podobě krátkých pulsů „přečerpávat energii“ z kondenzátoru CSTORAGE přes výstup SW do výstupního kondenzátoru 47 mikroF, který je součástí výstupního LC filtru. Pulsní napětí dosahuje úrovně jen o málo vyšší než zvolené napětí 1,8 až 3,6 V a pilový průběh proudu dosahuje špičky cca 250 mA. Pokud stále je na jímacím kondenzátoru vlivem dostatečného dodávání energie z piezoelementu dostatečné napětí (větší než řídicí sestupná úroveň UVLO bloku), reguluje si měnič sám napětí na výstupním kondenzátoru prostřednictvím vstupu VOUT na požadovanou zvolenou hodnotu. Pokud není ze zdroje odebírán proud a není tedy potřeba jej dodávat, přepíná se měnič automaticky do „spícího“ režimu, čímž minimalizuje vlastní spotřebu obvodu (max. 950 mA) i svodový proud výstupu SW + VOUT (max. 90 nA). Výstupní kondenzátor se tak vlastním obvodem téměř nevybíjí. Účinnost přeměny energie tak je přes 90%.

Závislost účinnosti zdroje na jeho zatížení a výstupním napětí (vpravo) a typická VA charakteristika piezoelementu (vlevo).

Pokud je výstup zdroje zatížen a jímací kondenzátor se nedostatečně nabíjí, dojde při poklesu napětí pod sestupnou úroveň UVLO bloku k zablokování funkce měniče a ten přestane dodávat proud na výstup SW. O tomto stavu je vnější napájený systém informován prostřednictvím nízké úrovně pinu PGOOD, na který by mělo napájené zařízení zareagovat svým přechodem od velmi úsporného režimu.

Poté, co se jímací kondenzátor opět dostatečně nabije, funkce měniče se opět obnoví a nahodí se binární signál PGOOD do stavu log. 1. Napájené zařízení tak dostalo informaci, že může pokračovat v práci.

V případě, že je potřeba zajistit trvalou dodávku elektřiny (např. u zálohování RAM paměti), je možné použít následující fígl. Připojit přes diodu paralelně k jímacímu kondenzátoru baterii, která bude dodávat energii v případě, že nebudou přítomny vibrace, tedy energie z piezoelementu. Nezbavíme se zde sice závislosti na baterii, ale její životnost bude výrazně delší než jen při trvalém napájení jen z baterie.