На страницах «Вестника электроники» в публикации [1] рассказывалось об архитектуре построения и алгоритме функционирования беспроводной сети SmartMesh WirelessHART, объединяющей до 500 различных датчиков контролируемых параметров физической среды. Разумеется, для удаленных датчиков, объединенных с приемо-передающими устройствами, требуется автономное питание, базирующееся на химических источниках тока — литиевых элементах CR2032. Как показывает практика, благодаря чрезвычайно низкому потребляемому нагрузкой току срок службы элементов питания в примененном экономичном рабочем режиме может составлять примерно пять лет, а затем требуется их замена. Подобного режима удается достичь вследствие того, что все приемопередающие устройства беспроводной сети находятся в «спящем» состоянии, «просыпаясь» на считанные секунды для передачи собираемых данных с периодичностью один раз в несколько минут.
Можно ли увеличить период эксплуатации датчиков и в целом объединяющей их беспроводной сети, не меняя элементов питания? Таким вопросом задались инженеры компании Linear Technology. Решение было реализовано на основе технологии Energy Harvesting (дословный перевод: «сбор энергии»). Об этом и пойдет речь в нашей статье.
Энергосбережение как инновационное направление дальнейшего совершенствования микроэлектронных устройств
Корпорация Linear Technology совсем не одинока в своих инновационных энергосберегающих изысканиях. Технология Energy Harvesting пронизана прежде всего заботой об экологическом состоянии нашей планеты. Всем известны «вечные» источники свободной энергии (рис. 1), абсолютно не зависящие от углеводородов, разработка месторождений которых и сжигание наносит ущерб природе. Именно поэтому такую энергию называют «зеленая». Как показано на рисунке, если фотоэлектрический преобразователь солнечной энергии дополнить DC/DC-конвертером, а затем полученное постоянное напряжение подать непосредственно к потребителю, пользоваться таким источником питания можно практически неограниченно долго.
Сотни всемирно известных компаний ежегодно собираются на своеобразные форумы, где обмениваются результатами применения энергосберегающих решений для своей продукции. Логотип такой конференции, состоявшейся в США в ноябре 2015 года, представлен на рис. 2.
Успешное проведение конференции подтвердило чрезвычайно высокий интерес к проблемам преобразования и хранения свободной энергии, проявленный со стороны как производителей, так и потребителей. Свыше 210 экспонентов из 42 стран и более 3000 зарегистрированных посетителей приняли в ней активное участие.
В соответствии с программой на конференции обсуждались технологии преобразования энергии, включая термоэлектрическую, пьезоэлектрическую, фотогальваническую, электромагнитную, и ее хранения с помощью тонкопленочных аккумуляторов и суперконденсаторов (ионисторов). Такжерассматривались особенности проектирования и производства маломощных микроэлектронных компонентов, применяемых в составе различных беспроводных сетей, протоколы обмена данными в них, способствующие низкому потреблению энергии.
Обсуждаемые энергосберегающие технологии сопровождались показом действующих экспонатов, предлагающих примеры технического решения заявленных проблем, реализованные за предшествующие два года (ноябрь 2013 — ноябрь 2015). Ведущим экспонентом на конференции выступила компания Linear Technology, о которой в сопутствующей аннотации были приведены следующие краткие сведения.
Таблица 1. Номенклатура микросхем для сбора свободной энергии, разработанных компанией Linear Technology
Компания Standard & Poor’s включила корпорацию Linear Technology в список 500 крупнейших компаний, индекс капитализации которых постоянно отслеживается на мировом рынке и публикуется онлайн в Интернете. Она занимает лидирующее положение среди фирм, проектирующих, производящих и реализующих на мировом рынке широкий спектр высокоэффективных аналоговых интегральных схем для большинства всемирно известных производителей связной, цифровой и промышленной аппаратуры. Linear Technology предоставляет потребителям высокоэффективные усилители, компараторы, источники образцовых напряжений, монолитные фильтры, линейные регуляторы, импульсные конвертеры напряжения DC/DC, зарядные устройства для батарей, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, конвертеры цифровых данных, интерфейсы связной аппаратуры, элементы передающих устройств и много других специальных цифровых и аналоговых микросхем. Обобщая сказанное, можно подвести итог: продукция компании Linear Technology служит надежным мостом между нашим аналоговым миром и прикладной цифровой микроэлектроникой, включая медицинскую технику, автомобилестроение, беспроводные сети сбора данных, автоматизации производства и т. д.
Поскольку статья посвящена применению энергосберегающих устройств в беспроводных сетях, важно отметить, что на специализированной выставке Energy Harvesting 2015 огромный интерес посетителей вызвала продукция компании Linear Technology, представившей беспроводную сеть SmartMesh WirelessHART [1] и полный набор недавно разработанных перспективных конвертеров всех видов свободной энергии (таблица 1). Продемонстрированные микросхемы не только решают экологическую задачу, но и значительно повышают ресурс беспроводных сетей по питанию. Как видно в таблице, наиболее универсальным продуктом являются конвертеры LTC3330 и LTC3331. Коротко пояснить принцип работы этих микросхем можно следующим образом.
Как показано на иллюстрации в начале статьи, к основному входу питания микросхемы BAT подключают штатный источник — литиевую батарейку. Кроме этого, дополнительные входы AC1, AC2 соединяют с выходом преобразователей свободной энергии — солнечной и механической. К линии выходного напряжения VOUT в качестве буферного накопительного элемента параллельно нагрузке, которой служит аппаратура узла беспроводной сети датчиков WSN (Wireless Sensor Network), подключают два последовательно соединенных ионистора (Supercaps — суперконденсаторы). Поскольку каждый из них рассчитан на предельное напряжение 2,7 В, а реально на выходе может потребоваться 3,3 В и более, то для исключения электрического пробоя последовательно соединяют два ионистора, тогда выходное напряжение распределяется поровну между ними. Для идеального выравнивания распределяемого напряжения на ионисторах точку их соединения подключают к выводу схемы балансировки BAL (Balance).
Ионистор выполняет задачу буферного элемента. По своим электрическим характеристикам он полностью эквивалентен аккумулятору. Его ток утечки настолько мал, а электрическая емкость достаточно велика, чтобы сохранять накопленный заряд в течение длительного времени, прежде чем отдать часть накопленной энергии в нагрузку. При довольно интенсивном поступлении солнечной энергии ионистор заряжается до заданного уровня, после чего питание нагрузки отключается от штатного химического источника тока и подсоединяется к ионистору. Если нагрузка питается не беспрерывно, а с периодичностью в несколько минут и включается на считанные секунды, ионистор способен подзаряжаться от солнечной энергии и одновременно питать импульсную нагрузку. Штатный источник тока будет задействован лишь в критические моменты, когда поступление внешней свободной энергии недостаточно для питания импульсной нагрузки.
Такая иллюстрация дает наглядное представление о том, как с помощью простейшего схемотехнического решения можно в несколько раз увеличить ресурс химического источника тока в составе аппаратуры узла беспроводной сети, а при соответствующем балансе поступления и расходования свободной энергии от нетрадиционных источников и вообще отказаться от аккумуляторов (батареек). Рассмотрим устройство и параметры подключаемых к микросхеме LTC3330 преобразователей солнечной и механической энергии.
Свет + вибрация = неиссякаемая свободная энергия
Для преобразования солнечной энергии в электрическую совместно с микросхемой LTC3330 используют фотоэлектрические преобразователи, упрощенно называемые солнечными батареями или панелями, одна из которых показана на рис. 3.
При выходной мощности 0,5 Вт поперечные размеры представленного преобразователя соответствуют 70x55 мм, а толщина составляет лишь 3 мм, из которых 300 мкм — активный слой (кремниевые пластины), остальное — конструктивное покрытие (стекло или эпоксидная смола), обеспечивающее требуемую герметичность при размещении на открытом воздухе. Типовое значение тока нагрузки для данного преобразователя составляет примерно 100 мА, выходное напряжение не менее 5,5 В. Без нагрузки на холостом ходу выходное напряжение может достигать значения 8,2 В. При увеличении площади (размеров) пластины преобразователя его выходная мощность пропорционально возрастает.
Рис. 4. Пьезоэлектрический преобразователь механической энергии V25W фирмы Mide Technology Corporation
Активным материалом преобразователя служат кристаллы кремния, обогащенные бором (слой р-типа), мышьяком (n-типа) или другими химическими элементами. При воздействии солнечных лучей вследствие фотоэлектрического эффекта на р-n-переходе высвобождаются электроны, создающие электрический ток в замкнутой цепи, который может быть использован для питания внешней нагрузки.
Совершенно на другом принципе основаны вибропреобразователи механической энергии в электричество, называемые пьезоэлектрическими преобразователями. В технических условиях применения микросхемы LTC3330 [3] предложен вариант использования прибора Volture V25W фирмы Mide Technology Corporation для продления ресурса элемента питания. Внешний вид данного преобразователя иллюстрирует рис. 4, где также отдельной линией показана его проекция в вертикальной плоскости с предельно возможной зоной вибрации dy, составляющей всего 3,8 мм. Поперечные размеры пластины преобразователя соответствуют 38x58 мм, толщина — 0,6 мм, диаметр показанных на рисунке отверстий для консольного жесткого крепежа на источник вибрации — 3,2 мм. Несмотря на столь малую толщину пластины преобразователя, она представляет собой пятислойный «сандвич» (рис. 5). На центральном слое 3 размещены печатные проводники, соединенные с одной стороны с выходным разъемом, с другой — с внутренней стороной пьезоэлектрических пластин 2 и 4, расположенных симметрично относительно центрального слоя. Проводники собирают формируемый пластинами заряд и попарно передают его на контакты разъёма. Внешние экранирующие пластины 1 и 5 с наружной стороны покрыты медью, что обеспечивает защиту прибора от электрических наводок, а также от неблагоприятного климатического воздействия окружающей среды. С внутренней стороны экранирующих пластин, как показано на рисунке, размещены печатные проводники, попарно передающие заряд с наружной стороны пьезоэлектрических пластин на выходной разъем.
Поскольку в рабочем состоянии пьезоэлектрический преобразователь одним из концов несимметрично закрепляют на вибрирующей поверхности, при малейшем механическом воздействии, даже при легком щелчке по пластине, второй конец начинает вибрировать, как это показано на рис. 4. В результате деформации на поверхности пьезоэлектрических пластин возникает электрический заряд, вызванный пьезоэффектом. С помощью осциллографа затухающие гармонические колебания электрического напряжения можно наблюдать на выходном разъеме, где выводы расположены попарно для каждой из пьезоэлектрических пластин. С соблюдением полярности выходного напряжения выводы можно соединить либо последовательно (в этом случае удваивается выходное напряжение), либо параллельно (удваивается выходная мощность). В случае применения пьезоэлектрических преобразователей в качестве источников собираемой механической энергии для питания аппаратуры узла Dust Network предпочтительнее параллельное соединение. Если же пьезоэлектрический преобразователь используют как датчик вибрации контролируемого технического объекта, тогда для увеличения чувствительности прибора целесообразнее последовательное соединение пьезоэлектрических пластин в преобразователе.
Как первый, так и второй вариант применения преобразователей имеет свои особенности, связанные с относительно высоким внутренним сопротивлением пьезоэлектрических генераторов. Поэтому в технических данных V25W [4] в общем виде отсутствуют такие параметры, как выходная мощность и напряжение преобразователя, определяемые частотой собственного механического резонанса и амплитудным значением силового воздействия на пластину. Поскольку именно напряжение и мощность определяют соответственно чувствительность прибора и его способность обеспечить питание аппаратуры узла Dust Network, отметим, что при оценке возможности применения какого-либо типономинала преобразователя (всего их 6) следует провести его натурные испытания и настройку, руководствуясь приведенными в [4] таблицами и диаграммами.
Поясним их для рекомендованного пьезоэлектрического преобразователя V25W. Как показано в таблице 2, собственная частота механического резонанса преобразователя в отсутствие балансира (масса наконечника равна нулю) соответствует примерно 120 Гц. Это значит, что при консольном креплении преобразователя на его выходном разъеме с помощью осциллографа, как описано выше, можно наблюдать затухающие колебания генерируемого напряжения частотой 120 Гц. Частота собственного резонанса будет снижаться, если на свободном конце пластины преобразователя жестко закрепить наконечник с некоторой массой. Например, как показано в таблице, при массе наконечника 15,6 г резонансная частота снижается до 40 Гц.
С помощью акселерометра производитель выполнил калибровку преобразователя с тремя типами наконечников и без них, при этом измерялись выходное напряжение и мощность создаваемого электрического сигнала в четырех вариантах силового воздействия с амплитудным значением 0,25g, 0,375g, 0,5g и 1g. Это проекция кажущегося ускорения, то есть разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением g— ускорением свободного падения 9,8 м/с2. Результаты измерений напряжения и мощности при последовательном соединении пьезоэлектрических пластин в приборе приведены в таблице. Для преобразователя с наконечником 15,6 г мощность выходного сигнала составляет 9,231 мВт, напряжение 36,6 В.
Разумеется, частота вибрационного воздействия технического объекта, на котором предполагают разместить преобразователь, может отличаться от приведенных табличных значений. В этом случае варьируют массу наконечника (чем больше масса, тем ниже резонансная частота) и его положение на пластине (чем ближе к закрепленному концу консоли, тем выше резонансная частота). Если изменением массы наконечника и положения на пластине не удается достичь совпадения резонансной частоты преобразователя с частотой источника вибраций, тогда подбирают другой типономинал преобразователя. Рассмотрим особенности функционирования микросхемы LTC3330 совместно с фото- и пьезоэлектрическим преобразователями.
Экономим ресурс батареи
На рис. 6 представлена приведенная в [3] принципиальная электрическая схема так называемого харвестера (harvester — «сборщик») свободной энергии. В принципе, если баланс собираемой энергии заведомо превышает расходуемую в нагрузке (в нашем случае — узел Dust совместно с датчиком), то можно отказаться от батареи, подключаемой к выводу микросхемы BAT. Однако при развертывании сети тогда потребовалось бы ожидание в несколько десятков минут, а то и часов, пока будет накоплено достаточно энергии до первоначального запуска импульсных преобразователей напряжения (DC/DC) в микросхеме LTC3330. Поэтому не будем отказываться от представленного на рисунке элемента питания PRIMARY CELL, почти не влияющего на общую стоимость проекта Dust Network.
Особо не вдаваясь в технические подробности построения микросхемы [3], отметим, что по-крупному ее функционирование обеспечивают основной понижающий импульсный преобразователь (BUCK) и дополнительный понижающе-повышающий (BUCK-BOOST). Схемы таких преобразователей общеизвестны, они используют принцип накопления и передачи энергии в зарядно-разрядном дросселе. На рисунке верхний дроссель 22 μH (мкГн) соответствует основному преобразователю, нижний — дополнительному. Коммутацию электрического тока в дросселях производят специальные коммутирующие полевые транзисторы. Когда они открыты (сопротивление перехода сток-исток минимально), дроссель запасает энергию проходящего через него тока. Когда закрыты (сопротивление перехода сток-исток максимально) — отдает в нагрузку. Отдельные встроенные в чип схемы управления транзисторами регулируют продолжительность накопления и передачи энергии (длительность пачки коммутирующих импульсов) таким образом, чтобы выходное напряжение и мощность стабилизировались на заданном уровне.
Рис. 7. Осциллограммы напряжения и тока основного (BUCK) импульсного преобразователя
На рис. 7 проиллюстрирован характер изменения тока и напряжения на выходе основного (BUCK) преобразователя, источником питания которого служит фотоэлектрический преобразователь (SOLAR PANEL) с максимальным выходным напряжением 19 В, подключенный к одному из входов выпрямительного моста — выводу AC1. Ко второму входу моста (вывод AC2) подключен пьезоэлектрический преобразователь V25W. Выход моста соединен с выводом VIN, где подключенный внешний конденсатор 22 мкФ запасает получаемый от свободной энергии электрический заряд и некоторую часть его подает на вход основного импульсного преобразователя внутри микросхемы. Импульсы коммутирующего напряжения на выводе SW (switch — «переключатель»), являющегося входом дросселя, соответствуют центральной осциллограмме на рисунке. Под воздействием короткого импульса приложенного напряжения (всего их 11 на рисунке) в дросселе линейно нарастает ток до максимального значения примерно 300 мА. Когда импульс завершается, ток линейно снижается до нуля, при этом среднее значение тока, заряжающего выходной конденсатор 47 мкФ и ионисторы, достигает 100–150 мА. За время действия показанной пачки импульсов напряжение на выходном конденсаторе с ионисторами (верхняя осциллограмма) ступенчато возрастает на 50 мВ (до 3,3 В). За счет обратной связи это напряжение постоянно отслеживается и поддерживается схемой управления коммутирующими транзисторами на одном из уровней в интервале значений 1,8–5 В. Установку требуемого уровня осуществляют по входной (рис. 6) цифровой шине OUT[2:0] путем подбора некоторой комбинации высоких и низких логических уровней (0 и 1) на отдельных проводниках OUT2, OUT1 и OUT0 в соответствии с таблицей 1, приведенной в технических условиях на микросхему [3]. Например, для выходного напряжения 2,5 В на шине устанавливают комбинацию 001, а для 3,3 В — 100.
Регулирование выходного напряжения происходит таким образом, что обратная связь отключит коммутирующие транзисторы не точно на заданном уровне, а с небольшим превышением в десятки милливольт. После этого преобразователь переходит в спящий режим, а питание нагрузки осуществляется за счет заряда выходных конденсаторов огромной емкости. В результате выходное напряжение начнет очень медленно снижаться, пока снова на несколько десятков милливольт не окажется ниже заданного уровня, затем происходит повторное включение коммутирующих транзисторов и т. д. Такое гистерезисное периодическое включение обеспечивает достаточно высокую точность поддержания выходного напряжения при эффективном и экономном расходовании энергии, получаемой от фото- и пьезопреобразователя.
Рис. 8. Осциллограммы напряжения и тока дополнительного (BUCK-BOOST) импульсного преобразователя
Хотя потребляемый основным преобразователем ток в режиме коммутирующих импульсов значительно больше, чем в спящем режиме, продолжительность активного режима существенно меньше паузы, поэтому усредненный потребляемый ток за достаточно длительный период настолько мал, что даже микроваттные источники свободной энергии обеспечивают надежное функционирование беспроводных сетей Dust.
Периодическое гистерезисное включение и выключение характерно и для дополнительного (BUCK-BOOST) импульсного преобразователя, изменение выходного тока и напряжения которого показано на рис. 8. Разумеется, использованное нами распределение ролей между BUCK- и BUCK-BOOST-преобразователями весьма условно. Но оно оправдано, на наш взгляд, по двум причинам. Во-первых, так удобнее их именовать в русскоязычных терминах, а во-вторых, оно реально отражает долю участия каждого из преобразователей в обеспечении нагрузки бесперебойным питанием. Далее мы это покажем.
Источником питания для дополнительного преобразователя служит батарея, подключенная к выводу ВАТ. Но поскольку ее выходное напряжение сильно зависит от степени разряда, реально оно может снижаться от 3,3 до 1,8 В и более. С другой стороны, выходное напряжение преобразователя должно соответствовать, как пояснялось ранее, запрограммированному по шине OUT[2:0] уровню и может находиться в интервале значений 1,8–5 В. Следовательно, в зависимости от соотношения между входным и требуемым выходным напряжением преобразователь должен быть способен работать и в понижающем, и в повышающем, и в переходном между ними режимах. Такое требование обеспечено применением в составе преобразователя наряду со схемой управления не двух, как в основном преобразователе, а четырех коммутирующих транзисторов, чьи стоки объединены попарно и подключены к выводам микросхемы SWA, SWB, с другой стороны к которым (рис. 6) подключен зарядно-разрядный дроссель 22 мкГн. Сопротивление переходов сток-исток в транзисторах в открытом состоянии имеет конечное значение не менее 5 Ом, а протекающий ток может быть весьма значительным. Пиковое (максимальное) значение тока в соответствии с таблицей 3 [3] программируется по цифровой шине IPK[2:0] и может находиться в интервале значений от 5 мА (минимальная индуктивность дросселя при этом должна быть не менее 1000 мкГн) до 250 мА (22 мкГн).
Таблица 3. Выбор IPEAK_BB
На рис. 8 две средние осциллограммы демонстрируют входное (SWB) и выходное (SWA) напряжение на дросселе. Под воздействием разности этих напряжений (на рисунке всего лишь 2 В) ток в дросселе (нижняя осциллограмма) вначале линейно возрастает, а затем экспоненциально замедляется. Тем не менее, поскольку он снижается не до нуля, как в основном преобразователе, а до 50 мА, с учетом пикового значения 250 мА среднее значение тока, заряжающего выходные конденсаторы, составляет 150 мА. Этого достаточно, чтобы за 60 мкс выходное напряжение возросло примерно на 40 мВ (до 3,3 В — верхняя осциллограмма), после чего дополнительный преобразователь переходит в спящий режим.
Попеременным включением основного и дополнительного преобразователей управляет приоритезатор (в технических условиях на микросхему — prioritizer), другими словами — селектор, который отслеживает напряжение батареи по входу ВАТ и выпрямленное входное напряжение энергосберегающего источника (фото- и пьезопреобразователя) по входу VIN.
Изображение на рис. 9 соответствует той стадии в функционировании харвестера, когда собираемая энергия доступна и накапливается на входном конденсаторе, подключенном к выводу VIN микросхемы. Специальный ограничитель входного напряжения UVLO (Under Voltage Lock Out) контролирует входное напряжение, допустимое верхнее и нижнее пороговое значение которого программируют по входной цифровой шине UV[3:0] в интервале 3–18 В в соответствии с таблицей 4 [3].
В ходе накопления (сбора) энергии питание нагрузки обеспечивает дополнительный преобразователь, подключенный к батарее (нижняя осциллограмма), а основной преобразователь находится в спящем режиме (вторая снизу осциллограмма). Как только входное напряжение достигнет верхнего порогового значения, специальный узел вырабатывает сигнал высокого логического уровня EH_ON (Energy Harvesting — вторая сверху осциллограмма), после чего включается основной преобразователь (вторая снизу осциллограмма), а дополнительный преобразователь отключается. Потребляемый от батареи ток снижается практически до нуля.
Если накопление энергии от фото- или пьезопреобразователя происходит достаточно эффективно, входное напряжение VIN не снижается, питание нагрузки осуществляется за счет собираемой энергии (рис. 10). В противном случае напряжение VIN может уменьшиться до нижнего порогового значения UVLO. Если это происходит, основной преобразователь выключается и включается дополнительный, чтобы обеспечить питание нагрузки от батареи. Одновременно происходит дальнейший сбор энергии. Как уже говорилось, попеременным включением основного и дополнительного преобразователей управляет приоритезатор по отдельному входу каждого из них.
Приведенное выше краткое изложение основ функционирования микросхемы LTC3330 позволяет получить аргументированное подтверждение того, что этот уникальный миниатюрный чип, исполненный в корпусе размерами всего лишь 5x5 мм, несомненно позволяет практически безгранично продлевать ресурс беспроводной сети Dust Network.
Хотя в предложенном варианте применения (рис. 6) использован как фото-, так и пьезоэлектрический преобразователь, более оптимальным может оказаться подключение двух независимых фотоэлектрических преобразователей, поскольку выходной ток таких приборов весьма сильно зависит от угла падения солнечных лучей на плоскость пластины. Ток максимален, если лучи падают по нормали, и прекращается, когда лучи параллельны плоскости пластины. Из этого следует, что два независимых фотоэлектрических преобразователя можно сориентировать так, чтобы один из них получал и преобразовывал солнечный поток в первой половине светового дня, а другой — во второй. Тогда количество собираемой солнечной энергии окажется примерно в два раза больше, чем при использовании единственного фотопреобразователя.
Преобразование механической энергии пьезоэлектрическими преобразователями также обладает своей спецификой. Поэтому будет весьма интересно ознакомиться с изложенным в публикации [5] практическим опытом построения такого харвестера, конкретно предназначенного для питания аппаратуры узла беспроводной сети Dust Mote.
Вибрации «хорошие» и вибрации «плохие»
Принципиальная электрическая схема инновационного решения [5], способного при определенных условиях до бесконечности расширить ресурс питания приемопередающего узла, показана на рис. 11. Данная иллюстрация более подробно, чем рисунок в начале статьи, раскрывает особенности сопряжения микросхемы LTC3330 с узлом DC9003A [1]. Преобразователь V25W механически соединен с источником вибраций частотой 60 Гц и характеризуется силовым воздействием с эффективным ускорением 1g. При этом электрическая мощность, генерируемая преобразователем, составляет 648 мкВт, максимальное выходное напряжение — 10,6 В.
Рис. 11. Принципиальная электрическая схема питания узла DC9003A от источника вибраций
Как можно видеть на рис. 12, входной конденсатор 22 мкФ, подключенный к выводу микросхемы VIN, в течение 208 мс заряжается от 4,48 до 5,92 В — такие пороговые значения напряжения UVLO установлены посредством показанного на рис. 11 варианта соединения входной цифровой шины UV[3:0]=0010.
Вариант установки программного значения выходного напряжения по цифровой шине OUT[2:0] зависит от параметра сигнала энергосбережения EH_ON, значение которого управляет входом разряда OUT2. При низком логическом уровне сигнала EH_ON входная комбинация соответствует 001. Поэтому согласно таблице 1 технических условий [3] в начальный момент времени выходное напряжение VOUT = 2,5 В. После заряда входного конденсатора до верхнего порогового значения напряжения UVLO 5,92 В сигнал энергосбережения EH_ON принимает высокий логический уровень, поэтому входная комбинация на цифровой шине OUT[2:0] переходит в состояние 101. В соответствии с таблицей 1 выходное напряжение при этом возрастает до 3,6 В, как показано на рисунке.
На рис. 13 представлен процесс заряда изначально разряженных выходных ионисторов от 0 до 3,6 В от пьезоэлектрического преобразователя. С учетом того, что на осциллограмме цена деления по горизонтали соответствует 500 с, данный процесс длился 55 мин.
На рис. 14 показаны диаграммы напряжения на входном и выходном конденсаторах для случая, когда вибрация (механическая энергия) вначале отсутствует. Затем на 600-й секунде возникают вибрации. При этом выходное напряжение постепенно возрастает от изначальных 2,5 В, обусловленных остаточным зарядом батареи CR2032, до 3,6 В за счет работы основного (BUCK) импульсного преобразователя. Поскольку сигнал включения энергосбережения EH_ON принимает высокий уровень, сопутствующий ему другой сигнал PGVOUT (Power Good VOUT — питание в норме) переходит в низкое состояние, так как новый уровень выходного напряжения микросхемы 3,6 В еще не достигнут. Ионисторам передается заряд входного конденсатора 22 мкФ, и когда его напряжение снизится с 5,92 до 4,48 В, сигнал энергосбережения EH_ON становится низким, тем самым вызывая снижение выходного напряжения до 2,5 В. Учитывая, что емкость выходного конденсатора очень большая и средняя нагрузка меньше, чем получаемая от пьезоэлектрического преобразователя входная мощность, выходное напряжение медленно увеличивается до требуемого значения 3,6 В в течение многих циклов, что по времени составило 1100 с, или примерно 18 мин. Во время перехода с уровня 2,5 на уровень 3,6 В выходное напряжение VOUT превышает пороговое значение 2,5 В для PGVOUT, следовательно, PGVOUT становится высоким каждый раз, когда EH_ON переходит на низкий уровень. Такой цикл повторяется до тех пор, пока VOUT не достигнет 3,6 В, а точнее — более 92 % этого значения. Как показано на рисунке, через 700 с после включения вибраций выходное напряжение принимает значение 3,4 В, после чего PGVOUT становится высоким и к низкому уровню больше не переходит.
На рис. 15 показано снижение VOUT, когда источник вибрации выключается и входное напряжение VIN падает ниже нижнего порога UVLO_FALLING, вынуждая сигнал энергосбережения EH_ON перейти на низкий уровень. Суперконденсаторы на линии выходного напряжения VOUT будут разряжаться до нового целевого значения 2,5 В, при котором включится дополнительный преобразователь (BUCKBOOST) питания нагрузки. Разряд суперконденсаторов служит источником энергии для нагрузки при кратковременной потере источника вибрации и продлевает срок службы батареи.
Рис. 14. Переходный процесс переключения питания DC9003A с дополнительного на основной импульсный преобразователь
Подводя итог всему сказанному, можно заключить, что микросхема LTC3330 обеспечивает оригинальное решение для питания аппаратуры узла сети Dust Networks от источника вибрации, используя при этом пьезоэлектрический преобразователь V25W и основную батарею CR2032. Вырабатываемая пьезоэлектрическим преобразователем V25W мощность достаточна для питания Dust Networks и неограниченно продлевает ресурс батареи, существенно уменьшая эксплуатационные расходы, связанные с ее заменой.
Мы рассмотрели лишь один аспект функционирования беспроводных промышленных сетей беспроводных датчиков в физической среде с присутствием механических вибраций — конвейерное оборудование, транспорт, двигательные и насосные установки и т. п. С данной точки зрения здесь вибрации «хорошие»: чем они интенсивнее, тем эффективнее можно организовать питание датчиков и модулей передачи данных на контролируемых объектах. Но более важным аспектом контроля является собираемая информация об интенсивности вибраций, характеризующих степень износа подвижных частей оборудования. Наличие отклонений от норм и превышение допустимых значений вибраций могут привести в лучшем случае к незапланированным расходам на ремонт и техническое обслуживание установки, в худшем — к аварии и человеческим жертвам.Такие вибрации можно назвать «плохими». В данном случае ярким и показательным примером является авария на Саяно-Шушенской ГЭС, произошедшая 17 августа 2009 года. Система непрерывного виброконтроля не среагировала на повышение вибраций в одном из десяти гидроагрегатов.
Рис. 15. Переходный процесс переключения питания DC9003A с основного на дополнительный импульсный преобразователь
Как показало расследование, за 15 мин до крушения при норме 160 мкм вибрации подшипника крышки турбины возросли до 600 мкм. Обнаружено, что на шести из 41 обследованных шпильках произошло самораскручивание гаек. Непосредственно перед аварией вибрации увеличились до критического значения 840 мкм. Под напором воды ротор гидроагрегата с крышкой турбины и верхней крестовиной был сорван с мест крепления и выброшен в машинный зал, разрушая все на своем пути. Система аварийной защиты сработала лишь на одном из агрегатов, отключив генерируемое напряжение. Хлынувшая в зал вода вызвала короткое замыкание в остальных гидроагрегатах, выводя их из строя. Героическими действиями спасателей на верхнем уровне ГЭС удалось перекрыть подачу воды к гидрогенераторам и открыть аварийный сброс, иначе могло бы произойти крушение всей плотины. 75 человек погибли. В акваторию Енисея попало 40 тонн машинного масла. Пять лет (последний агрегат отремонтирован в 2014 году) и свыше 40 млрд руб. потребовалось для ликвидации последствий аварии.
Такова скорбная цена пренебрежительного отношения персонала ГЭС к вибрациям. Авторы статьи уверены, что если бы гидроагрегаты были оборудованы беспроводной сетью SmartMesh WirelessHART с пьезоэлектрическими датчиками вибраций, эксплуатация аварийного гидроагрегата была бы прервана компьютером при первом же приближении вибраций к допустимому значению, не говоря уже о четырехкратном их превышении.
Литература
- Косенко С., Федоров А. Беспроводная «умная» сеть SmartMesh от Linear Technology — сверхнадежность, базирующаяся на гибкости и совершенстве // Вестник электроники. 2014. № 1 (47).
- http://www.idtechex.com/energy-harvesting-usa/eh.a...
- Nanopower Buck-Boost DC/DC with Energy Harvesting Battery Life Extender. http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3330fc.pd...
- Volture. Piezoelectric Energy Harvesters. http://www.mide.com/pdfs/Volture_Datasheet_001.pd...
- Drew J. Powering a Dust Mote from a Piezoelectric Transducer // LT Journal of Analog Innovation. July 2015.
