如何使用能量采集的高可靠性工业控制环境

本文着眼于利用能量采集源动力在工业自动化节点，其中高可靠性是关键的设计挑战。它探讨如何能源如结合温度和振动与电池系统和无线链路，以确保传感器节点可以放置在完全正确的位置，并具有最高可能的可靠性。

能量收集技术可以用于增强工业系统的可靠性和可用性。能够定位传感器节点在需要它们不管电源或通信链路的可提供更高质量的数据的地方。这反过来可以提供趋势数据标识发生并允许预防性维护或故障发生前带来的流替代设备之前，他们的问题，如卡尔曼算法的技术。

这些能量收集技术克服了简单的电池供电的传感器节点所面临的挑战。随着成千上万节点跨越工厂地板，维护和更换电池可以是一个昂贵和费时的工作。然而，能量收集被视为可显着变化，因此往往不考虑这样的应用不可靠的来源。结合的能量采集源，如振动，热或用太阳能充电电池带来了两全其美。独立的传感器节点可以容易地放置在难以到达的地方，并且可再充电电池系统可以持续数千个周期，显着地延长了节点的寿命。

然而，这种组合需要一类新的电源管理设备，可以从一个不规则的，低电流源提供可靠的电力。这些器件采用降压 - 升压架构来专门管理从源动力

从收获的振动能量，与如丙烯酰胺的Volture V25W设备，是权力在工厂自动化的重要来源。 。

美迪Volture V25W压电振动能量生成的图像

图1：从MIDE的Volture V25W压电振动能量发生器。

这是被设计为在恶劣环境中使用一个密封的压电器件。它可以作为一个传感器，但它也可以直接与电源管理芯片和薄膜电池集成以提供一个可靠的电源。它是在由攻电机的振动供电的工业网络，以及无线高压空调传感器在工业自动化设置传感器节点的具体目标。能够监视暖通的状态是重要的，以确保在工厂车间的温度被严格控制的可靠性。

该传感器被安装在振动源并调谐到源的谐振频率。常以占优势的频率是与一个120赫的交流电机或60赫兹器具以使调谐容易显而易见的，但大多数的应用将需要某种形式的振动表征的，以确保源工作在谐振频率。

然后将V25W可以连接到一个电力管理装置如Maxim的MAX17710。这是为充电和保护微存储单元从能量收集来源的完整的系统。它管理监管不力与输出电平范围从1固件系统100毫瓦来源。该器件还包​​括电池从低至0.75 V(典型值)源充电升压稳压电路。

内部调节保护细胞免受过充电，供给到目标应用程序的输出电压是使用低压差(LDO)与3.3伏的电压可选择线性稳压器，2.3伏，或1.8 V.输出调节器以可选择的调节低功率或超低功率模式，以尽量减少细胞的漏极。内部电压保护可防止电池过度放电。

Maxim的MAX17710的图

图2：MAX17710特别调谐到能量采集源的功率。

太阳能电池为电源的工厂车间的可能来源甚至在室内。从飞索的MB39C831是一个高效率的同步整流升压DC / DC变换器，它有效地提供能量从与单个细胞或多个小区的太阳能电池获得，或从热电发电机(TEG)，以锂离子电池。

它控制DC / DC转换器输出下列使用最大功率点跟踪(MPPT)算法，保护功能的锂离子电池安全充电的太阳能电池的最大功率点。

在一般情况下，太阳能电池的电压依赖于负载电流而变化，因此工作点所在的功率变为最大是关键。控制算法来跟踪这个最佳工作点相比，释放点在没有负载提供最高的效率为功率转换。[!--empirenews.page--]

Spansion公司MB39C831的图

图3：MB39C831跟踪源的最佳功率点为最有效的能量转换。

有可能使用低电压设计(图3)，以启动从0.35诉该设备适应其中的单细胞的太阳能电池被视为输入的应用程序，并提供为3.0V至5.0 V的输出与41微安静态电流传感器节点的电源。该装置的一个主要特征是，它通过使用脉冲频率模式(PFM)和脉冲宽度模式(PWM)转换之间自动切换优化功率转换的效率低输出功率期间。

这种适应性措施也有助于其他能源，如热能。这可以用来在工厂车间从热的差异产生动力。热机如莱尔德WPG-1可以提供高达1.5毫瓦可用输出功率，并能处理范围广泛的负载电阻(如图4)。一个超低电压升压转换器被结合到下20°K提供可用输出功率为低的温度差异。输出功率可以被调节，以适应三个电压设置点：3.3伏，4.1伏或5.0 V至该传感器节点的电源或甚至更大的设备。

的单元是收割废热，并将其转换为可使用的输出DC功率无线传感器网络的自包含薄膜热电发电机。对于不同的热差异或输出电压，定制设计服务，可容纳备用吸热和散热机制。

莱尔德WPG-1热机电流输出的图像

图4：根据温度差莱尔德WPG-1热机的电流输出。

进一步增强了能量采集源的可靠性的一种方法是使用一个电容器组收集的能量之前，要么使用或存储在本地电池。从先进的线性器件EH300 / EH301系列EPAD能量采集模块可以接受的能源来自众多来源提供传统的3.3 V和5.0 V输出与低功耗间歇工作周期采样的数据或状态的监测，以及极端的寿命要求的应用。这些模块是完全自供电，总是处于活动模式，这样他们可以接受的瞬时输入电压范围从0.0 V至+/- 500伏交流或直流，并且输入电流从200 nA至400毫安从产生电能量收集源能在任何一个稳定或间歇性和不规则的方式与不同的源阻抗。

EH300模块的高级线性器件图像

图5：从先进的线性器件EH300模块使用电容器组从各种能量采集源提供一个始终保持接通电源管理。

每个模块设置两个电源电压阈值+ V_low DC和+ V_high直流之间进行操作，对应于最小(VL)和最大值(VH)的电源电压为传感器节点。

当能量源开始能量转换成一个模块，作为电荷脉冲的输入端注入，这些电荷包被收集，积累和存储到内部存储电容器组。对于最常见的能量采集应用中，电能电荷分组到达的输入电压尖峰是不受控制的和不可预测的形式。通常，这些涵盖广泛的电压，电流和时间波形的，它可以是很难处理。作为一个例子，在4分钟内以10微安的平均输入电流以仅仅1.0微安的平均输入电流的EH300模块罐周期和40分钟内。

结论

能量收获可将功率传递到传感器网络而不通过电源电缆的限制的有效方法。放置到需要的地方，并且通过设备的振动或以上的供电的灯，在该地方的传感器可以是一种创新的方式来获得非常有用的数据，以确保工厂系统可靠地运行。加充电电池延伸的维修和更换周期急剧并提供一种灵活的和有效的方式经由无线传感器网络可靠地监测设备。