Ваш город: Москва
+7 (495) 221-78-04
+7 (812) 327-327-1
Терраэлектроника

Как сделать вибрацию полезной? Виброхарвестеры от microGen

Вибрация. Только упоминание этого слова может вызвать головную боль у разработчиков промышленной электроники. Однако с этим коварным врагом можно столкнуться и в других областях. И во всех случаях вибрация оказывает крайне негативное влияние на электронные приборы. Но, как говорится, «нет худа без добра»: инженеры научились и из такой ситуации извлекать выгоду. Речь идет о таких компонентах как харвестеры энергии вибраций. На портале Унитера мы уже публиковали статьи о виброхарвестерах от microGen, а в настоящем обзоре речь пойдет о новых продуктах компании.

Энергию вибраций можно использовать с пользой

Рис. 1. Энергию вибраций можно использовать с пользой

Промышленные станки, автотракторная техника, авиационное и космическое оборудование, строительная техника – это лишь малая часть приложений, в которых разработчики сталкиваются с разрушительным воздействием вибрации. И везде она становится злейшим врагом электроники. Где-то, как например, в авиационной отрасли, ударные нагрузки способны уничтожить незащищенные узлы почти мгновенно. А где-то, например, в промышленности, вибрация постепенно, месяц за месяцем и год за годом расшатывает и подтачивает «здоровье» электроники. К счастью даже такого «вредителя» можно исправить и заставить работать на благое дело. Именно для этого и были созданы харвестеры виброэнергии.

Суть работы виброхарвестеров заключается в прямом преобразовании ударных и вибрационных нагрузок в электрическую энергию. К сожалению, при этом возникает несколько проблем. Во-первых, объем получаемой таким способом энергии обычно оказывается достаточно скромным. Во-вторых, вибрации не всегда являются постоянными, если конечно речь идет не о промышленных станках. Из этого следует, что необходимо не просто преобразовывать энергию, но и запасать ее с помощью накопителей (аккумуляторов, суперконденсаторов и т. д.) (рис. 1).

Использование энергии вибрации «в мирных целях»

Рис. 2. Использование энергии вибрации «в мирных целях»

Примером практической реализации харвестеров энергии являются модульные генераторы от компании microGen. Они построены на базе преобразователей вибрации, выполненных по МЭМС-технологии. Микросхемы преобразователей помещены в стандартные многовыводные QFN-корпуса.

Модульные генераторы от microGen могут работать в резонансном или импульсном режимах.

Наиболее эффективным режимом работы преобразователей от microGen является резонансное взаимодействие. При наличии постоянных вибраций в заданном диапазоне частот, на выходе генератора формируется переменное напряжение (рис. 3). Как было сказано выше, выходная мощность модулей не велика и для нормальной работы потребителей необходимо выполнять накопление энергии. Для этого потребуется внешний выпрямитель и накопительный элемент (например, конденсатор). При необходимости в схеме может использоваться и преобразователь напряжения (линейный стабилизатор или импульсный регулятор).

Преобразование энергии вибрации с помощью виброхарвестеров MicroGen

Рис. 3. Преобразование энергии вибрации с помощью виброхарвестеров MicroGen

Импульсный режим модульных генераторов от microGen оказывается менее эффективным, однако именно он может стать наиболее востребованным в тех приложениях, в которых отсутствует источник постоянных вибраций. В таком случае вместо постоянного преобразования колебаний, виброхарвестерам приходится «по крупицам» собирать разрозненные вибрации и бережно запасать их в накопителе.

В настоящий момент microGen выпускает два типа виброхарвестеров (рис. 4).

AC Power Cell OPP-1001-00 – виброхарвестер с переменным выходным напряжением. В составе этого модуля присутствует только печатная плата с разъемами, сам преобразователь и несколько вспомогательных резисторов. Подразумевается, что остальную часть схемы питания пользователь будет создавать сам. Габариты модуля составляют 40,6 x 40,6 x 6,85 мм.

Выходная мощность этого генератора зависти от используемого режима работы. При наличии вибраций в резонансном диапазоне 500…700 Гц выходная мощность может достигать 200 мкВт. При воздействии ударных нагрузок эффективность несколько падает: 5..40 мкВт (1…5 Гц), 40..70 мкВт (5…10 Гц), 70..100 мкВт (10…20 Гц). Предельное значение ударных нагрузок составляет 300 g.

DC Power Cell MPC-00010-00 – виброхарвестер со встроенным выпрямителем и парой регуляторов напряжения. Рассмотрим его более подробно.

Внешний вид виброхарвестеров от компании MicroGen

Рис. 4. Внешний вид виброхарвестеров от компании MicroGen

Модульный генератор MPC-00010-00 кроме непосредственно микросхемы преобразователя энергии вибраций имеет в своем составе выпрямитель, пару преобразователей и выходной конденсатор емкостью 600 мкФ (рис. 5). Это позволяет напрямую использовать модуль для питания нагрузки.

Принципиальная схема DC Power Cell MPC-00010-00

Рис. 5. Принципиальная схема DC Power Cell MPC-00010-00

В состав модуля MPC-00010-00 входит целых два преобразователя напряжения:

  • импульсный преобразователь LTC3330 используется для относительно мощных вибраций и имеет входное напряжение от 3 В;
  • линейный стабилизатор Torex XC6215 необходим для работы со слабыми уровнями вибраций. Как и всякий линейный стабилизатор XC6215 имеет относительно невысокий КПД, зато он может работать со сверхнизкими входными напряжениями от 1,5 В.

Для конфигурации работы модуля предусмотрены специальные переключатели (рис. 6). С их помощью можно выбирать используемый преобразователь напряжения, активировать сам модуль, отключать и подключать выходной накопительный конденсатор, управлять работой светодиода, активировать схему удвоения напряжения.

Конфигурация переключателей для конфигурации DC Power Cell MPC-00010-00

Рис. 6. Конфигурация переключателей для конфигурации DC Power Cell MPC-00010-00

Как видно из принципиальной схемы в режиме удвоения напряжения происходит полное использование всех плеч диодного моста. Это позволяет удваивать выходную мощность.

Для быстрого освоения виброхарвестеров от MicroGen следует воспользоваться оценочным набором Evaluation Kit EVA-00600-00 (рис. 7). В его состав входит пара модулей AC Power Cell OPP-1001-00, плата преобразователя LTC3330, плата преобразователя Torex LDO, диагностическая плата Diagnostic Board.

По сути, данный оценочный набор представляет собой «разобранный» генератор MPC-00010-00, но с расширенным функционалом: с возможностью измерения тока и с возможностью подстройки выходного напряжения (при использовании преобразователя LTC3330).

Наличие двух генераторов OPP-1001-00 позволяет производить их параллельное включение для получения большей нагрузочной способности.

Оценочный набор Evaluation Kit EVA-00600-00

Рис. 7. Оценочный набор Evaluation Kit EVA-00600-00

Харвестеры виброэнергии от microGen в первую очередь будут востребованы в тех областях, где вибрации носят постоянный характер (промышленные станки, строительная техника, автотранспорт и т. д.), однако они наверняка найдут свое применение и в бытовых системах и, особенно, в приложениях для Интернета вещей (IoT).

Характеристики виброхарвестеров AC Power Cell OPP-1001-00:

  • выходная мощность в режиме резонанса: 200 мкВт;
  • выходная мощность в импульсном режиме: 5..40 мкВт (1…5 Гц), 40..70 мкВт (5…10 Гц), 70..100 мкВт (10…20 Гц);
  • емкость: 1,8…2,1 нФ;
  • частота резонанса: 500…700 Гц;
  • добротность: > 200;
  • минимальное ускорение: 0,5 g;
  • рекомендуемое максимальное ускорение в режиме резонанса: 2,5 g;
  • предельное ускорение в импульсном режиме: 300 g;
  • масса: 14,4 г;
  • габариты: 40,6 x 40,6 x 6,85 мм.

Характеристики виброхарвестеров DC Power Cell MPC-00010-00:

  • выходное напряжение (LTC3330): 3,3 В;
  • выходное напряжение (Torex XC6215): 3,3 В;
  • выходная мощность в режиме резонанса: 200 мкВт;
  • выходная мощность в импульсном режиме: 10 мкВт (1…10 Гц), 10..50 мкВт (10…50 Гц), 50..100 мкВт (50…100 Гц);
  • емкость встроенного конденсатора: 600 мкФ;
  • собственная емкость харвестера: 1,8…2,1 нФ;
  • частота резонанса: 500…700 Гц;
  • добротность: > 200;
  • минимальное ускорение: 0,5 g;
  • рекомендуемое максимальное ускорение в режиме резонанса: 2,0 g;
  • масса: 18,5 г;
  • габариты: 40,2 x 40,2 x 10 мм.

Состав оценочного набора Evaluation Kit EVA-00600-00:

  • AC Power Cell OPP-1001-00 – 2 шт;
  • плата преобразователя LTC3330 – 1 шт;
  • плата преобразователя Torex LDO – 1 шт;
  • диагностическая плата Diagnostic Board – 1 шт.

Производитель: MicroGen Systems, Inc.
AC Power Cell OPP-1001-00 AC Power Cell OPP-1001-00 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Виброхарвестер с переменным выходным напряжением. Состав модуля: печатная плата с разъемами, преобразователь и несколько вспомогательных резисторов. Габариты модуля: 40,6 x 40,6 x 6,85 мм.
89554,03 r
DC Power Cell MPC-00010-00 DC Power Cell MPC-00010-00 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Виброхарвестер со встроенным выпрямителем и парой регуляторов напряжения. Модульный генератор MPC-00010-00 кроме непосредственно микросхемы преобразователя энергии вибраций имеет в своем составе выпрямитель, пару преобразователей и выходной конденсатор емкостью 600 мкФ
10320,04 r
Evaluation Kit EVA-00600-00 Evaluation Kit EVA-00600-00 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Оценочный набор Evaluation Kit EVA-00600-00 предназначен для быстрого освоения виброхарвестеров от MicroGen. В его состав входит пара модулей AC Power Cell OPP-1001-00, плата преобразователя LTC3330, плата преобразователя Torex LDO, диагностическая плата Diagnostic Board. По запросу
Версия для печати версия для печати

Заметили ошибку в работе сайта?
Скажите нам об этом