Älykkyys leviää nopeasti lukuisiin "asioihin" ympärillämme - hehkulampuista, kodinkoneista ja autoista lääketieteellisiin antureihin, teollisuuskoneisiin ja jopa kokonaisiin kaupunkeihin. Esineiden Internet on selvästi nousussa.

Gartnerin mukaan internetiin kytkettyjen laitteiden tai solmujen määrän odotetaan nousevan 20,4 miljardiin jo tänä vuonna. IoT-laitteita on siis moninkertaisesti enemmän kuin ihmisiä maan päällä.

IoT: n kasvu ei kuitenkaan tapahdu ilman esteitä. Yksi haasteista on pitää nämä miljardit Internet-laitteet toiminnassa 24/7 riippumatta niiden sijainnista ja sovelluksesta. Säännölliset paristojen vaihdot merkitsevät kustannuksia ja henkilöresursseja. Tällaisten laitteiden kasvavan energiankulutuksen vaikutukset ympäristöön on myös otettava huomioon.

Yksi ratkaisu, jolla nämä rajoitukset voidaan torjua, on energiankeruu. Tätä tekniikkaa käyttämällä energia otetaan talteen ympäröivästä ympäristöstä ja muutetaan sähköksi. Energia voi olla peräisin lukuisista mahdollisista lähteistä (kuten ympäröivä valo, värähtely, lämpö tai RF), jotka muuten yksinkertaisesti menetettäisiin.

IoT-tapauksissa energiankeruun tavoitteena ei ole tuottaa valtavia määriä tehoa, vaan pienien määrien hankkiminen mistä tahansa. Esimerkiksi ympäristön valosta valjastettu teho on yleensä välillä 10µW / cm2 - 10 mW / cm2 riippuen siitä, onko valonlähde ulkona vai sisällä. Liikkeestä syntyvä energia on luokkaa 4 μW / cm2 - 100 μW / cm2, taas lähteistä riippuen (kerätäänkö energia ihmisestä vai koneesta?). Samoin lämpöenergia, joka voidaan ottaa ihmisen kehosta, tuottaa noin 30µW / cm2 ja RF-energiaa voidaan kerätä noin 0,1µW / cm2.

Yksinkertaisesti sanottuna energiankeruu antaa yrityksille mahdollisuuden hyödyntää IoT:tä ja samalla säästää aikaa ja rahaa, joka muuten kuluisi paristoihin. Markkinatutkimusyritys IDTechEx:n mukaan energiankeruun vuotuisten markkinoiden tulisi maailmanlaajuisesti ylittää 5 miljardia dollaria vuoteen 2022 mennessä. Mutta miten tekniikka muotoutuu tulevaisuuden kasvua ajatellen?

Energiankeruujärjestelmän rakennuspalikat

Pohjimmiltaan energian keruu on kolmivaiheinen prosessi: keräys, käsittely ja varastointi. Anturi kaappaa lähteistä (kuten ympäristön valosta, lämmöstä, värähtelyistä, paineesta, RF:stä jne.) peräisin olevan energian ja tuottaa sähköenergiaa. Seuraavaksi virranhallintapiiri säätää tulevan sähköjännitteen sopimaan kuormaan ennen sen siirtämistä varastointilaitteelle - yleensä superkondensaattorille - joka toimii puskurina pienitehoisen, ajoittaisen primäärienergian lähteen ja suuritehoisen jatkuvan kuorman välillä.

Primaarienergian lähteestä riippuen energiankeruujärjestelmissä käytetään erityyppisiä muuntimia. Esimerkiksi aurinkosähkökeräimet kaappaavat valon energiaa sekä ulkona että sisätiloissa täydentääkseen tai jopa poistamalla akkuja kuluttaja- ja teollisuussovelluksista. Samoin pietsosähköiset muuntimet synnyttävät jännitettä mekaanisesti rasitettuna paineen tai liikkeen kautta. Autojen, lentokoneiden, automaatiolaitteiden ja jopa ihmistä ympäröivän värähtelyn/tärinän avulla anturit lupaavat syöttää virtaa lukuisiin internet-laitteisiin. Esimerkiksi Miden PPA-1021 on 0,74 millimetriä paksu pietsosähköinen muunnin, joka tuottaa 4,5 milliwatin tasavirtatehoa 28,2 voltin jännitteellä sieppaamalla energiaa tärinästä.

Hyödyntämällä hukkalämpöä termosähköiset muuntimet tuottavat tehoa, kun lämpötilaero on kahden erilaisen metallin välissä. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Seebeck-ilmiö. Micropeltin TE-CORE -moduuli on suunniteltu sieppaamaan paikallisesti saatavissa oleva hukkalämpö ja muuttamaan se sähköksi. Se toimii lämpötilaerolla <10 ° C ja tarjoaa konfiguroitavan ulostulon välillä 1,8 V - 4,5 V.

Aurinkosähköisten, pietsosähköisten ja termoelektristen muuntimien lisäksi on olemassa RF-energian keräimiä, jotka tasasuuntaavat ja muuntavat niihin suunnatut RF-signaalit sähköksi. Powercastin P2110 RF Powerharvester -vastaanotin tuottaa noin 5,25 V matalataajuisista RF-signaaleista, tuottaen jopa 50 milliampeerin lähtövirran. Tätä vastaanotinta voidaan käyttää erillisenä pienitehoisen mikro-ohjaimen, anturien ja radiomoduulin kanssa, ja sitä voidaan käyttää valmiina, akuttomana anturisolmuna -11,5 dBm RF-tulolla. Sovelluksiin kuuluvat teollisuuden valvonta, rakennusautomaatiojärjestelmät, älykäs verkko, maatalous ja puolustusteollisuus.

Kerätyn tehon hallinta

Kerätyn energian prosessoimiseksi ja vakaan virransyötön ylläpitämiseksi kytketylle kuormalle energiankeruulaitteistoon on sisällytettävä jonkinlainen virranhallintapiiri eli PMIC-piiri. Erittäin pienitehoisiin suunnitteluihin on tarkoitettu Cypress S6AE101A -energiankeruupiiri, joka vaatii vain 250 nanoampeerin käyttövirran ja 1,2 mikrowatin käynnistystehon. Tämän sirun kautta pienikokoiset aurinkokennot, joiden valoisuus on vain noin 100 luxia, voivat tarjota riittävästi tehoa Internet-laitteiden käyttämiseen. Kuten kuvassa 1 esitetään, piiri varastoi lähtökondensaattoriin tuotetun sähkön sisäänrakennetulla kytkimen ohjauksella. Jos aurinkokennoista tuotettu energia ei riitä kuormaan, virransyöttöä täydennetään akkuvarauksesta. Piirin sovelluksia ovat akkuvapaa langaton anturisolmuratkaisu, jossa on ylijännitesuojaus, langattomat LVI-, valaistus- ja turvajärjestelmien anturit sekä älykkäät Bluetooth-anturit.

Kuva 1: Cypressin S6AE101A-piiriin perustuva aurinkokennopohjainen tehonhallintajärjestelmä.

Linear Technology -yhtiön (nykyisin Analog Devices) LTC3588-2 on toinen energiankeruun PMIC-piiri, joka on suunniteltu liittymään suoraan pietsosähköisten, aurinko- tai magneettimuuntimien kanssa. Se pystyy korjaamaan jänniteaaltomuodot ja varastoimaan kerätyn energian ulkoiselle kondensaattorille. Se tyhjentää kaiken ylimääräisen virran sisäisen regulaattorin avulla, säätäen samalla lähtöjännitettä tehokkaan synkronisen buck-säätimen avulla. Neljällä valittavalla lähtöjännitteellä (3,45 , 4,1, 4,5 ja 5,0 volttia) se voi syöttää jopa 100 milliampeerin jatkuvaa lähtövirtaa. Ylijännitesuojauksen aikaansaamiseksi piiri sisältää 20 voltin suojauspiirin. Rengaspaineanturit ja tavaroiden mobiili seuranta ovat piirin mahdollisia käyttökohteita.

Mikroenergian varastointikennojen lataamiseksi ja suojaamiseksi Maxim Integrated tarjoaa MAX17710-tehonhallintapiiriä. Piiri toimitetaan 12-napaisessa UTDFN-kotelossa ja se on erityisesti optimoitu huonosti reguloiduille lähteille, jotka ovat tyypillisiä energiankeruussa. Käytettävissä ovat niinkin alhaiset jännitetasot kuin 0,75 V. Vaikka lähtötehot vaihtelevat välillä 1µW - 100 MW, sisältää MAX17710 myös sisäisen säätimen ylikuormitussuojaukseen. Kohdesovelluksiin syötettyjä lähtöjännitteitä säädellään LDO-regulaattorilla, jonka valittavissa olevat jännitteet ovat 3,3, 2,3 tai 1,8 volttia. Lähtöregulaattori toimii joko pienitehoisissa tai erittäin pienitehoisissa tiloissa kennon tyhjentymisen ehkäisemiseksi.

Kuva 2: Energiankeruuta mikrotehokennojen lataamiseksi Maximin MAX17710-piirin kautta.

Oikea teho, kaiken aikaa

Suuren energian varastointikapasiteettinsa ansiosta superkondensaattorit tarjoavat vakaan virran jatkuville kuormille laitteissa, jotka ovat riippuvaisia energian keruusta. Muratan DMH-sarjan superkondensaattorit toimivat korkeiden kapasitanssitasojensa ansiosta sekä energiapuskurina että huipputehon apuna tällaisille laitteille. 35 millifaradin kapasitanssilla, 4,5 voltin nimellisjännitteellä ja 300 millivoltin ESR-resistanssilla nämä 20 x 20 x 0,4 millimetrin superkondensaattorit soveltuvat sovelluksiin, joissa on rajoitetusti tilaa ja akun käyttöikää. Paperinohut rakenne mahdollistaa niiden asentamisen nappipariston alle, älykortin sisälle tai laitteen näytön taakse. Niiden tärkeimpiä sovelluksia ovat puettavat tekniikat, vähittäiskaupan järjestelmät, e-lukijat ja matalan profiilin I/O-älylaitteet.

Uusien tuotteiden kehittäminen

Texas Instrumentsin aurinkoenergian keruun kehitystyökalu EZ430-RF2500-SHE antaa suunnittelijoille mahdollisuuden luoda ja testata jatkuvatoiminen langaton anturiverkko. Tämä erittäin pienitehoisen mikro-ohjaimen ohjaama työkalu sisältää erittäin korkean hyötysuhteen aurinkopaneelin, joka tuottaa tarpeeksi virtaa langattoman anturisovelluksen käyttämiseen ilman mitään lisäakkuja jopa sisävalaistuksessa.

Würth Electronicsin toimittama energiankeruun, -hallinnan ja varastoinnin yhdessä paketissa tuova paketti on myös täydellinen kehitystyökalu. Paketti sisältää aurinkokennon (32 x 50 mm) ja termosgeneraattorin (40 x 40 mm) kahtena energian keräyslähteenä. Pakettiin kuuluu EFM32 Giant Gecko -ohjain, joka käyttää 48 megahertsin ARM Cortex M3 -ydintä.

Koska energiankeruutekniikat täyttävät vihreän energian lupauksen melkein kaikkialla, tutkijat etsivät kiireisesti uusia sovellusmahdollisuuksia. Yhdessä tällaisessa tapauksessa Michiganin yliopiston tutkijat ovat yltäneet tekniikan todelliseen ytimeen kehittämällä laitteen, joka kerää energiaa ihmisen sydämenlyönneistä, millä voidaan käynnistää sydämentahdistin tai implantoitu defibrillaattori. Tämä kehitys voi potentiaalisesti poistaa sekä riskit että vaivat, jotka liittyvät kriittisten lääkinnällisten laitteiden säännöllisiin akkujen vaihtoihin. Tutkijat työskentelevät myös energian keräämiseksi ihmisen kehon lämmöstä, liikkeestä ja tärinästä tukeakseen implantoitavien IoT-laitteiden virtavaatimuksia. Energiaa on runsaasti ympärillämme, mutta tällä hetkellä kyse ei vielä ole käyttövoimasta. Energiankeruu on ratkaisu tähän ja sen tuloksena keruutekniikoilla on tärkeä rooli kaikissa tulevaisuuden pyrkimyksissämme.