Auténtica independencia de la red: Un robusto sistema de recuperación de energía para sensores inalámbricos utiliza una fuente de alimentación de recuperación de energía piezoeléctrica y baterías de Li-Poly con un cargador de derivación

Hay un mercado emergente y potencialmente grande para los sensores inalámbricos. Por su naturaleza, las redes inalámbricas
naturaleza, los sensores inalámbricos se eligen para su uso en lugares inaccesibles, o para aplicaciones
que requieren un gran número de sensores, demasiados para poder conectarlos fácilmente a una red de datos. En
en la mayoría de los casos, no es práctico que estos sistemas funcionen con baterías primarias. Por ejemplo,
será necesario un sensor para controlar la temperatura de la carne durante el envío
montados a prueba de manipulaciones. O bien, los sensores HVAC que se montan en cada fuente de aire acondicionado estarían demasiado dispersos
o bien, los sensores de HVAC que se montan en cada fuente de aire acondicionado estarían demasiado distribuidos para utilizar baterías. En estas aplicaciones,
la recolección de energía puede resolver el problema de proporcionar energía sin baterías primarias.

La recolección de energía por sí sola no suele ser suficiente
producir suficiente energía para hacer funcionar el sensor-transmisor-energético
hacer funcionar el sensor-transmisor-energía
la recolección de energía puede producir alrededor de 1mW-10mW,
mientras que la combinación sensor-transmisor activo
puede necesitar entre 100mW y 250mW.
La energía cosechada debe ser almacenada cuando sea posible
posible, listo para ser utilizado por el sensor/transmisor,
que debe funcionar con un ciclo de trabajo
que no supere la capacidad de almacenamiento de energía del sistema
capacidad de almacenamiento de energía del sistema. Del mismo modo, el
del mismo modo, es posible que el sensor/transmisor tenga que funcionar en momentos
en momentos en los que no se cosecha energía

Finalmente, si la energía almacenada se agota
y el sistema se apagará, el
el sistema puede necesitar realizar algunas
las tareas domésticas primero. Esto puede incluir un mensaje de cierre
mensaje, o almacenar información en
memoria no volátil. Por lo tanto, es importante
por lo tanto, es importante controlar constantemente la energía disponible.

La figura 1 muestra la implementación de un sistema completo
sistema utilizando un LTC3588-1
cosechadora y el regulador buck IC, dos
Cargadores de baterías en derivación LTC4071, dos
GM BATTERY GMB301009 Baterías de 8mAh
y un sensor-transmisor simulado
modelada como una carga de 12,4mA con un ciclo de trabajo del 1%
ciclo de trabajo. El LTC3588-1 contiene un
puente rectificador de muy bajas fugas con
entradas en PZ1 y PZ2 y salidas en
V_EN y GND. V_EN es también la potencia de entrada
para un regulador buck con una corriente de reposo muy baja
regulador. La tensión de salida del regulador buck
regulador se ajusta mediante D1 y D0 a 3,3V.

El LTC3588 se alimenta de un sistema avanzado de
Cerametrics Incorporated PFCB-W14
transductor piezoeléctrico, que es capaz de
generan un máximo de 12mW.
En nuestra aplicación, el PFCB-W14
proporciona aproximadamente 2mW de potencia.

El LTC4071 es un cargador de baterías en derivación
cargador de baterías con tensión de mantenimiento programable y
compensación de la temperatura. La tensión de servicio
tensión se ajusta a 4,1 V, con una tolerancia en el
de ±1%, lo que resulta en un máximo de 4,14V
máximo de 4,14V, que está muy por debajo del máximo
esto está muy por debajo de la flotación máxima permitida en las baterías.
El LTC4071 también detecta la temperatura de la batería a través de la señal NTC
la batería está caliente a través de la señal NTC y
reduce la tensión de flotación a alta temperatura
para maximizar la duración de la batería.

El LTC4071 es capaz de derivar
50mA internamente. Sin embargo,
cuando la batería está por debajo de la tensión de mantenimiento
tensión de mantenimiento, el LTC4071 sólo consume
~600nA de corriente de la batería.

BATERÍA GM GMB301009
tienen una capacidad de 8mAh y un
resistencia interna en serie de ~10Ω.

El sensor-transmisor simulado es
modelado en un Microchip PIC18LF14K22
y MRF24J40MA de 2,4 GHz según la norma IEEE
802.15.4. La radio consume
23mA en transmisión y 18mA en recepción.
El modelo lo representa como 12,4mA,
0.ciclo de trabajo del 98% (2ms/204ms),
con un temporizador digital automático y
un MOSFET que conmuta una resistencia de 267Ω

Este sistema tiene dos modos de funcionamiento:
carga-transmisión y descarga-transmisión.
En el modo de carga y transmisión,
las baterías se cargan mientras el
el sensor-transmisor tiene una carga del 0,5%
de la carga. En el modo de descarga, el sensor-transmisor
funciona, pero no hay energía
es cosechado por el PFCB-W14.

Carga-Envío

Cuando está activo, el PFCB-W14 proporciona una potencia
de potencia a una media de aproximadamente
9.2V × 180µA ≈ 1,7mW. La corriente disponible
la corriente disponible debe cargar la batería y
accionar el regulador buck que alimenta el simulador
sensor-transmisor simulado. El sensor-transmisor activo
el sensor-transmisor consume 12,4mA × 3,3V ≈
41mW en un 1% del tiempo, es decir, aprox
0.41mW de media, lo que deja algo de corriente para cargar el
para cargar la batería. Teniendo en cuenta
la eficiencia del 85% del regulador buck LTC3588,
asumiendo un V_EN de 9,2V (ver
Figura 2), y una corriente de reposo del buck de
8µA, la corriente media consumida por el
sistema sin cargar la batería es :

La energía recogida puede hacer funcionar el sensor-transmisor
con un ciclo de trabajo del 0,5% y unos 120µA para cargar las baterías
aproximadamente 120µA para cargar las baterías.
Las baterías GMB301009 tienen una capacidad de 8mAh
capacidad de 8mAh, por lo que se cargan completamente desde un
se recarga completamente desde un estado descargado en aproximadamente 75 horas

Descarga-Envía

Cuando el PFCB-W14 no suministra energía
potencia, la tensión en V_EN cae a
sobre :

Así, el cálculo de la corriente de carga reflejada
se convierte en :

La corriente de reposo del regulador buck
regulador es mayor porque el regulador
regulador tiene que cambiar más a menudo para regular de
7.5V frente a 9,2V. Con 78µA, sin ninguna energía
energía, la batería se descarga en
unas 115 horas. Esto indica
una capacidad de almacenamiento de carga de >8,95mAh.
Estas pilas, cuando son nuevas, pueden almacenar
almacenan aproximadamente un 12% más de carga que la nominal
que el valor nominal

Un problema más grave es lo que ocurre
cuando la batería esté completamente descargada. Si
la corriente se extrae después del estado de carga
llega a cero, y la tensión de la batería cae por debajo de 2,1V, el
por debajo de 2,1V, la batería está dañada permanentemente
dañado. Por lo tanto, la solicitud debe
asegúrate de que el voltaje de la batería nunca caiga por debajo de este límite
por debajo de este límite. Por esta razón, la tensión de corte de la batería
la tensión de corte de la batería se ajusta a 2,7 V o 3,2 V para garantizar que queda energía en
asegurar que queda energía en la batería
después de que el circuito de desconexión se haya activado.

El simple hecho de apagar el transmisor o desconectar la carga no
la desconexión de la carga no protegerá al
la batería, ya que el LTC4071 consume
una corriente de reposo de aproximadamente
600nA. Aunque esto es extremadamente bajo
la carga total, incluido el LTC3588-1,
es de unos 2µA. Una batería totalmente descargada
la batería sólo podrá suministrar alrededor de
100µA antes de que su tensión caiga lo suficiente como para dañar
suficiente para dañar la batería.

Es necesario un circuito de desconexión para garantizar
que la batería no se descargue dentro de un
tiempo razonable. El LTC4071
proporciona un circuito interno de desconexión de la batería
circuito interno de desconexión. Este circuito de desconexión ha sido
medido para proporcionar <2nA de carga de la batería a temperatura ambiente cuando se activa. Esta fuga suele estar dominada por Fuga de PCB. Con sólo 2nA de corriente de descarga, la batería podría sobrevivir durante 50.000 horas durante 50.000 horas en estado de desconexión antes de que se dañe la batería.

En la figura 3, la segunda batería
(BAT2) se ve que se desconecta 50 horas después de la BAT1
después del BAT1 debido a la carga de 2µA.

El sistema mostrado en la Figura 1 fue
medido tanto en el modo de descarga-emisión (Figura 3) como en el
descarga-emisión (Figura 3) y
carga-emisión (Figura 4).

Dar de alta - Enviar

En la figura 3, las tensiones de las dos baterías
BAT1, BAT2 y V_BUCK están trazados
en función del tiempo, las pilas
proporcionan toda la energía para el sistema, ninguno de los
del piezoeléctrico PFCB-W14.

Las pilas se descargan lentamente hasta que
BAT1 activa el umbral LBO de su
LTC4071, con lo que el circuito de desconexión se activa y
se activa el circuito y desconecta la BAT1
de todos los circuitos excepto el LTC4071
en sí mismo. Esto hace que la tensión en V_EN de la
LTC3588 caiga por debajo del umbral UVLO del controlador, y el
controlador, y el controlador se apaga.

La carga de la BAT2 es la corriente de reposo de 2µA
del LTC4071 y del LTC3588. Este
una pequeña carga descarga lentamente la BAT2 hasta que
la desconexión por batería baja del LTC4071 se activa y la BAT2 se
se activa y la BAT2 se desconecta.

Carga-Envío

Cuando el PFCB-W14 vuelve a suministrar energía al sistema, V
para suministrar energía al sistema, V_EN aumenta
a 7V, lo que polariza los diodos del cuerpo hacia delante
diodos de los FETs de desconexión en el
LTC4071. Esto carga las baterías
hasta que se alcance el umbral de reconexión,
permitiendo que las baterías BAT1 y BAT2 sean
reconectados. Observando la figura 4, esta
puede verse como la tensión en V_EN el sitio se enciende
a la tensión de la batería.

Como la tensión en V_EN es ahora V_BAT1
+ V_BAT2 + (180µA × 15k) = 6,2V, el regulador buck LTC3588 se reinicia
el regulador buck del LTC3588 se reinicia
y los 3,3V vuelven a estar disponibles.

Con unos pocos componentes fáciles de usar
es posible construir un sistema completo y compacto
subsistema de alimentación con recuperación de energía
para los transmisores de sensores inalámbricos.
En este sistema concreto, un transductor piezoeléctrico
el transductor proporciona una señal intermitente
mientras que dos baterías almacenan la energía para ser utilizada por el sensor
que debe utilizar el sensor-transmisor. A
el interruptor de desconexión integrado protege el
las baterías de la sobredescarga.

Este sistema puede cargar completamente la batería
en 75 horas, incluso cuando el sensor-transmisor funciona a una
sensor-transmisor con un ciclo de trabajo del 0,5%.

Las baterías permiten que el sistema continúe
seguir operando el sensor-transmisor
a un ciclo de trabajo del 0,5% durante 115 horas después de la
el PFCB-W15 deja de suministrar energía. Si
se requiere un mayor tiempo de funcionamiento de la batería
el ciclo de trabajo del sensor-transmisor puede reducirse para adaptarse a esta necesidad
reducidos para dar cabida a esta necesidad.