Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 12 декабря
 
 


Это интересно!

Ранее

Решения Microchip для счетчиков расхода ресурсов

В статье описаны семейства микроконтроллеров PIC16 и PIC18 компании Microchip, применяемых для построения счетчиков расхода ресурсов. Приведены их основные параметры.

Разработка типового счетчика для интеллектуальных электрических сетей

Почему так много внимания уделяется электрическим счетчикам со стороны компаний, производящих оборудование и программное обеспечение? Ответ простой — производство этих устройств сулит большие прибыли. Чтобы стать участником грядущих революционных перемен в области интеллектуальных электросчетчиков, требуются некоторые базовые познания в этой обалсти. В статье рассматриваются требования к дизайну современных стандартных счетчиков, а также перспективы их совершенствования.

Новый класс датчиков переменного тока на основе катушек Роговского

Контроль потребления мощности становится ключевым фактором в управлении электросетями как в промышленном, так и в коммерческом секторах (промышленных зданиях, информационных центрах, пищевой промышленности, предприятиях торговли, медицинских и образовательных учреждениях). В статье подробно рассказывается о достигнутых преимуществах датчиков на основе катушек Роговского, которые по комплексу параметров могут успешно конкурировать с лучшими токовыми трансформаторными датчиками в секторе измерения электрической энергии.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

21 декабря

Фотогальванические элементы для энергосберегающих приложений

В статье представлен энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 компании Linear Technology, разработанный для решения задач энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания, рассчитанных на низкие напряжения (фотогальванических элементов, термоэлектрических генераторов и топливных батарей).



Введение

Устройства со сверхнизким потреблением энергии могут быть использованы в самых разнообразных беспроводных системах, включая транспортную инфраструктуру, медицинские приборы, измерители давления шин, промышленные датчики, автоматику зданий и аппаратуру слежения. Такие системы большую часть жизни проводят в режиме ожидания в спящем состоянии, потребляя при этом незначительное количество мкВт. При выходе из этого режима датчик измеряет такие параметры как давление, температуру или механическое отклонение и передает полученные данные беспроводным способом системе управления, расположенной на некотором расстоянии. На измерение, обработку и передачу данных требуется обычно порядка десяти миллисекунд, но за этот короткий промежуток времени может быть израсходовано несколько сотен мВт энергии.

Поскольку такие приложения характеризуются небольшими коэффициентами заполнения рабочих циклов, средняя мощность потребления может также оказаться сравнительно низкой. Источником питания в этом случае может быть простая батарея, однако, после того, как она разрядится, потребуется ее замена. В некоторых приложениях бывает физически невозможно заменить батарею, поэтому более приемлемой альтернативой является использование внешнего источника питания.

Появление маломощных беспроводных систем измерения

В автоматике зданий такие устройства как датчики присутствия, термостаты и выключатели освещения могут работать без традиционно применяемых силовых или управляющих проводов. Вместо этого можно использовать механические или энергосберегающие системы. Помимо отказа от прокладки проводов или регулярной замены батарей в беспроводных приложениях такой альтернативный подход снижает стоимость стандартной эксплуатации, рассчитываемой обычно для проводных систем.

Беспроводная сеть, использующая энергосберегающие методы, может объединять любое количество датчиков, установленных в здании для управления системой нагрева, вентиляции и кондиционирования (HVAC), а также для уменьшения затрат на освещение путем отключения питания от второстепенных зон здания, где в данный момент нет людей.

Типовая энергосберегающая конфигурация или узел беспроводных датчиков состоит из четырех блоков, показанных на рисунке 1:

– внешнего источника питания, например, солнечного элемента;

– устройства преобразования энергии для питания всех компонентов узла;

– чувствительного элемента для связи узла с физическим миром и расчетного блока, состоящего из микропроцессора или микроконтроллера, обрабатывающего измеренные данные и сохраняющие их в памяти;

– коммуникационного блока, состоящего из радиоустройства коротковолнового диапазона для беспроводной связи с соседними узлами и внешним миром.

Рис. 1. Основные блоки типовой энергосберегающей системы или узла беспроводных датчиков

Примерами систем с внешними источниками энергии могут служить термоэлектрические генераторы (TЭГ) или термоэлементы, соединенные с теплогенерирующим источником, например, с каналом HVAC; пьезоэлектрические преобразователи, прикрепленные к вибромеханическому источнику (оконному стеклу), а также панели с солнечными элементами. С помощью компактного термоэлектрического устройства (обычно называемого преобразователем) можно преобразовывать в электрическую энергию небольшой перепад температур. Для преобразования в электрическую энергию механических вибраций или напряжения используется пьезоэлектрический преобразователь. И, наконец, для преобразования света используются фотогальванические элементы, которые способны вырабатывать более 50 мВт электроэнергии на 1 см2 при прямом солнечном свете и до 100 мкВт — при комнатном освещении.

Энергосберегающая схема преобразовывает электрическую энергию в тот вид, который пригоден для питания расположенных далее электрических схем. После этого микропроцессор может «разбудить» датчик, чтобы снять показания или провести измерения, которые затем будут преобразованы АЦП для передачи данных через беспроводной трансивер с ультранизким потреблением мощности.

Каждый блок в этой цепи имеет определенные ограничения, которые до недавнего времени снижали их коммерческую ценность. Хотя недорогие и маломощные датчики и микроконтроллеры продаются довольно давно, на рынке только недавно появились трансиверы с ультранизким потреблением мощности, объединенные с микроконтроллерами, что способствовало развитию направления маломощных беспроводных систем. Тем не менее, до сих пор наблюдается нехватка энергосберегающих интегральных схем (ИС).

Существующие реализации блока: энергосберегающая схема и управляющее устройство — являются недостаточно эффективными дискретными системами, обычно состоящими из 30 и более компонентов. Такие устройства характеризуются низкой эффективностью преобразования энергии и высокими значениями токов покоя. Оба этих недостатка приводят к необходимости использовать дорогие и мощные батареи и солнечные элементы, что ухудшает характеристики системы в целом.

Без больших накопительных элементов низкая эффективность преобразования приведет к увеличению времени на включение системы, что, в свою очередь, увеличивает временной интервал между снятием показаний датчика и их передачей. Большие токи покоя в схемах преобразования энергии могут серьезно сократить количество «полезной» энергии, которая могла бы быть сэкономлена и передана в схемы приложения. Для достижения низких рабочих токов покоя и высокой эффективности преобразования энергии также требуется высокоточная экспертиза импульсных источников питания, что редко бывает возможно. «Пропущенным» звеном был высокоинтегрированный DC/DC-конвертер, который мог бы сэкономить энергию сверхмаломощных источников питания и управлять освободившейся при этом энергией.

Экономия энергии на конкретном примере

В качестве примера рассмотрим энергосберегающую промышленную систему мониторинга трубопровода, проложенного в отдаленной безлюдной местности. Через каждые 50 м трубы требуется измерять скорость потока, температуру и давление в трубопроводе. Каждый узел снабжен датчиками температуры, давления и потока, встроенными в стенки трубопровода. Данные должны передаваться каждые 5 с. Поскольку длина трубопровода составляет сотни миль, прокладка силовых и информационных линий — это очень дорогостоящий проект, требующий к тому же постоянных затрат на эксплуатацию и ремонт с периодической заменой батарей в каждом узле. Необходим источник питания, способный вырабатывать достаточное количество энергии, простой и надежный в эксплуатации. Одними из наиболее популярных и простых в обслуживании источников энергии являются маленькие солнечные элементы, объединенные с накопительными устройствами (аккумуляторами или ионисторами (supercap)), которые служат для непрерывной доставки энергии в ночные часы и в плохих погодных условиях.

Энергосберегающая ИС

Linear Technology недавно выпустила ИС LTC3105 — повышающий преобразователь ультранизкого напряжения, специально разработанный для упрощения задачи энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания, рассчитанных на низкие напряжения, таких как фотогальванические элементы, ТЭГ и топливные батареи. Их работа в синхронном повышающем режиме начинается при входном напряжении 250 мВ, что делает их идеальными устройствами для экономии энергии даже в неидеальных световых условиях.

Большой входной диапазон напряжений 0,2…5 В позволяет новым устройствам найти свое применение в большом ряду приложений. Интегрированный контроллер слежения за точкой максимальной мощности (MPPC) позволяет работать напрямую от высокоимпедансных источников (фотогальванических элементов), не допуская снижения входного напряжения источника питания ниже уровня, заданного MPPC. Пределы пикового тока автоматически настраиваются для получения максимальной мощности от источника питания, в то время как для оптимизации эффективности конвертера в режиме работы Burst Mode® ток покоя снижается только до 18 мкА.

Показанная на рисунке 2 схема использует LTC3105 для зарядки одноэлементного литий-ионного (Li-Ion) аккумулятора от одного фотогальванического элемента. Эта схема обеспечивает постоянную подзарядку аккумулятора, когда есть солнечный свет, что, в свою очередь, обеспечивает возможность питания электрических схем приложения, например, узла беспроводных датчиков, и позволяет запасать энергию для работы приложения в отсутствии света.

Рис. 2. Зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора от одного фотогальванического элемента

LTC3105 позволяет начинать работу при напряжениях порядка 250 мВ. Во время запуска выход AUX первоначально заряжается при отключенном синхронном выпрямителе. Как только VAUX станет приблизительно равным 1,4 В, конвертер выходит из режима запуска и переходит в режим нормальной работы. MPPC в режиме запуска не подключен. Однако значения токов ограничиваются достаточно низкими уровнями, что и позволяет начинать работу даже от слабых входных источников. В то время как конвертер находится в режиме запуска, внутреннее соединение между AUX и VOUT остается разомкнутым, и выход LDO отключен. На рисунке 3 показан пример типовой последовательности запуска.

Рис. 3. Типовая последовательность запуска LTC3105

Когда выходное напряжение больше входного и больше 1,2 В, включается синхронный выпрямитель. В этом режиме N-канальный MOSFET, стоящий между SW и GND, будет работать до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индуктивности, не достигнет предела пикового тока. Как только это произойдет, N-канальный MOSFET выключится, и включится P-канальный MOSFET между SW и управляемым выходом. Этот ключ остается открытым до тех пор, пока ток, протекающий через катушку индуктивности, не упадет ниже минимального предела пикового тока, затем цикл повторяется. Когда VOUT достигнет точки регулировки, N- и P-канальные MOSFET, соединенные с SW-выводом, выключаются, и конвертер входит в спящий режим.

Для питания микроконтроллеров и внешних датчиков с выхода LDO обеспечивается подача регулируемого тока 6 мА. Интегрированный контроллер MPPC предоставляет возможность пользователям устанавливать для данного источника питания оптимальную рабочую точку входного напряжения. Более того, MPPC в динамике регулирует средний ток через катушку индуктивности, предотвращая падение входного напряжения ниже порога напряжения на выводе MPPC.

Заключение

Управление энергопотреблением является ключевым аспектом создания беспроводных измерительных систем и должно учитываться при разработке концепции дизайна. Разработчики и проектировщики систем должны с самого начала уделять первостепенное внимание этому вопросу, чтобы создать эффективный проект, рассчитанный на успешную и долговременную работу.

Энергосберегающий DC/DC-конвертер LTC3105 специально разработан для упрощения задачи энергосбережения и управления мощностью альтернативных высокоимпедансных источников питания (фотогальванических элементов, ТЭГ и топливных батарей), рассчитанных на низкие напряжения. Интегрированный контроллер слежения за точкой максимальной мощности оптимизирует энергию, извлекаемую из источников самого широкого диапазона.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Джеф Грюттер (Jeff Gruetter), старший специалист по маркетингу, Linear Technology



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты