Prodlužte výdrž baterie v čidlech sběrem tepelné energie

V prostředí „oplývajícím“ vlastní energií se nezřídka setkáváme se systémy bezdrátových, ale též drátových čidel, která tak budeme schopni vhodně napájet. Sběrem energie (z angl. Energy Harvesting) kupříkladu dokážeme výrazně prodloužit životnost vestavěných baterií, a to zejména v případě nízkých požadovaných výkonů. V dlouhodobém horizontu snížíme náklady na údržbu a vyhneme se též odstávkám.

Navzdory zmiňovaným výhodám se však potýkáme s řadou překážek. Nejvýraznější pak bude skutečnost, kdy zdroje okolní energie nejsou k dis-pozici nepřetržitě, příp. náš systém s čidly nedokážou napájet po celou dobu. Kontrastují tak s primárními bateriemi a jejich vysokou spolehlivostí napříč předpokládanou životností. Vývojáři odpovědní za bezchybnou činnost se proto mohou zdráhat vybavit svá zapojení tak, aby čerpala energii ze svého okolí. Změnit zažitý způsob uvažování by ale mohl integrovaný obvod LTC3107 , se kterým výdrž baterie prodloužíme snadno a bez potíží a možnost sběru energie z okolního prostředí tak přidáme i do stávajících návrhů.

S obvody LTC3107 nebude systém sběru energie v místě zátěže vyžadovat velký prostor, spíše jen 3 × 3 mm pro pouzdro typu DFN spolu s několika dalšími součástkami okolo. Díky výrobě výstupního napětí sledujícího původní primární článek můžeme začít bez problémů využívat finančních úspor při sběru volně dostupné tepelné energie, a to v nových, ale i stávajících zapojeních napájených z baterií. S uvážením malého zdroje tepelné energie dokážou prvky LTC3107 prodloužit výdrž baterie v některých případech až po celou dobu jejich použitelnosti a snižují tak náklady na opakovanou údržbu spojenou právě s výměnou článků. Integrovaný obvod byl navržen tak, aby možnosti bateriového zdroje rozšířil, příp. v závislosti na konkrétní situaci a množství dostupné energie celou zátěž rovnou i napájel.

K informaci o připojení či nevyužití baterie pro napájení zátěže v daném okamžiku slouží číslicový výstup BAT_OFF. Systému tak umožní sledovat a následně i hlásit účinnost samotného sběru včetně míry využití baterie. Pin je interně vztažen k V_OUT.

Typický příklad bezdrátového senzoru vidíme na obr. 1. Systém kompletně napájíme z primárního lithiového článku mincového typu CR3032 s napětím 3,0 V a kapacitou 500 mAh. Během nepřetržitého provozu s přihlédnutím k průměrné spotřebě systému 250 µW tak vydrží zhruba osm měsíců. Stejné zapojení využívající shodnou baterii, jen s přidáním systému pro sběr tepelné energie založeného na obvodech LTC3107 pro další prodloužení výdrže zdroje, vidíme na obr. 2. Předpokládané prodloužení životnosti baterie po připojení systému sběru s malým termoelektrickým generátorem TEG o rozměrech 15 × 15 mm a chladičem o rozměrech 24 × 24 mm zachycuje napříč povrchovými teplotami TEG s uvážením teploty okolí +23 °C obr. 3.

Obr. 1 Zjednodušené blokové schéma běžného bezdrátového systému čidel s bateriovým napájením

Obr. 2 Systém bezdrátového čidla s baterií a obvodem LTC3107 pro sběr tepelné energie

Budeme-li při sběru výkonově překračovat průměrnou spotřebu definovanou zátěží, baterie se vůbec neuplatní a ve výsledku tak u článku počítáme jen s odběrem 80 nA, což pak znamená výdrž blížící se skladovatelnosti typického primárního zdroje na úrovni pěti až deseti let. Baterie v tomto případě slouží jen jako zdroj referenčního napětí pro LTC3107 k zajištění regulace výstupu. Zároveň musíme zmínit, že obvod za všech provozních podmínek brání jakémukoli nabíjení baterie.

Uveďme si příklad. Pro systém z obr. 2 s TEG připojeným ke zdroji tepla – trubce nebo třeba části stroje s teplotou převyšující své okolí jen o 12 °C může obvod LTC3107 zajistit pro zátěž celých 250 µW právě sběrem energie a vyloučit tak během doby použitelnosti baterie řadu servisních výměn, přesně jak to vidíme na obr. 3.

Obr. 3 Díky sběru tepelné energie dokážeme prodloužit výdrž baterie o několik let

Časové průběhy napětí na baterii a také výstupu obvodu LTC3107 zachycuje obr. 4. Výstupní napětí bude udržováno přibližně 30 mV pod úrovní nezatížené baterie, bez přerušení a s ohledem na zátěž, takže dostáváme napětí, na které byl systém navržen. Za těchto podmínek zůstává výstup BAT_OFF na vysoké úrovni a ukazuje tak, že baterie do zátěže energii nedodává.

Obr. 4 Časové průběhy systému sběru pro P_HARVEST > P_LOAD

Jen doplňujeme, že za snížením vysoké úrovně BAT_OFF pod hladinu V OUT na obrázcích stojí odporová zátěž sondy osciloskopu, resp. odporový dělič tvořený sondou a vnitřním pull-up rezistorem obvodu LTC3107.

Překročí-li pak požadavky zátěže možnosti systému sběru energie, dojde i na baterii, která zajistí potřebné výstupní napětí včetně nezbytného výkonu požadovaného zátěží. Aby však bylo možné odběr z baterie minimalizovat a prodloužit přitom její výdrž, bude v těchto případech systém sběru dodávat tolik proudu, kolik jen zvládne. Signál BAT_OFF přitom zůstává na nízké úrovni, a to i přestože část proudu tekoucího zátěží má svůj původ právě v systému sběru. Časové průběhy vidíme na obr. 5. Všimněte si, že hladina V_OUT bude za této situace udržována obvodem LTC3107 přibližně 220 mV pod skutečným napětím baterie.

Obr. 5 Časové průběhy systému sběru pro P_HARVEST < P_LOAD

Máme-li co do činění s dynamickou zátěží, tzn. přechody mezi nízkými a vysokými úrovněmi, může stejně tak pulzovat i signál BAT_OFF a indikovat přitom schopnost systému sběru dodávat proud do zátěže nebo stav, kdy se bez baterie již neobejdeme. Názorně to pro krátkodobou skokovou změnu zátěže vidíme na obr. 6.

Obr. 6 Časové průběhy systému sběru pro případ krátkého přechodového děje na zátěži s překročením P_HARVEST

Abychom pak dále mohli prodlužovat výdrž baterie, umožňuje nám obvod LTC3107 ukládat přebytečnou energii získanou sběrem do velké kapacity připojené k vývodu V_STORE. Nadbytek získaný v důsledku slabého zatížení tak zúročíme během period s vysokými odběry. S cílem zjednodušit nasazení superkapacitorů, které obvykle mívají maximální napětí 5 V, bude napětí vývodu V_STORE interně omezeno na 4,48 V.

S takovou vlastností úložiště energie omezíme nebo zcela vyloučíme účast baterie ve chvílích zvýšené zátěže. Pro udržení výstupního napětí totiž automaticky použijeme uloženou energii a teprve až pak se případně uchýlíme k baterii, viz také průběhy z obr. 7. Napětí na vývodu V_STORE zde po nabití ve fázi lehkého zatížení vidíme klesat jako důsledek vyšší zátěže, do které právě dodáváme energii. Pozorujeme však, že napětí na výstupu nekleslo a signál BAT_OFF zůstává stále na vysoké úrovni. Znamená to tedy, že jsme baterii k podpoře výstupu nevyužili ani v případě skokové změny na zátěži.

Obr. 7 Využití možností V_STORE pro podporu krátkodobého navýšení zátěže

Za předpokladu, že nemáme k dispozici žádnou energii ze systému sběru a veškerá uložená již byla zužitkována, bude výkon zajištěn kompletně z baterie, právě jak tomu bylo bez systému sběru, a výstupní napětí V_OUT je udržováno 220 mV pod úrovní napětí na baterii. Obvody pro získávání energie z okolního prostředí zůstanou v takovém případě v nečinnosti a baterii zatíží odběrem o velikosti 6 µA. Časové průběhy by mohly být stejné jako na obr. 5.

Abychom baterii ochránili před zkraty na vývodu V_OUT, máme proud tekoucí z V_BAT do V_OUT omezen minimálně na 30 mA a maximálně pak 100 mA. Při napájení z baterie tak mohou být ve stabilním stavu podporovány zátěže od 30 mA. V případě potřeby si ale poradíme i s vyšším krátkodobým zatížením a využijeme přitom lokálního kondenzátoru připojeného k výstupu V_OUT.

Výstupní proud dodávaný systémem sběru v ustáleném stavu bude závislý na několika faktorech, především jej ale omezuje teplotní rozdíl, se kterým můžeme na generátoru TEG počítat. Nepůjde však jen o funkci povrchové teploty TEG a teploty okolí, ale rovněž o tepelný odpor chladiče použitého na druhé straně generátoru. Výstupní proud se může v ustáleném stavu pohybovat v rozsahu mikroampér až po několik miliampér.

Proud, který může být výstupu V_OUT dodáván ze zdroje V_STORE, bude zase omezen rozdílovým napětím mezi těmito dvěma vývody a také odporem cesty obvodů pro řízení nabíjení uvnitř LTC3107 s typickou velikostí zhruba 120 Ω. K limitaci zde proto běžně dochází při několika miliampérech, což znamená, že V_STORE nevykrývá větší přechodové jevy na zátěži, které by mohl zvládnout spíše již zmiňovaný výstupní kondenzátor. Vedle funkce BAT_OFF obvody LTC3107 ještě nabídnou i druhé výstupní napětí stabilizované interní strukturou LDO na 2,2 V pro dodávku až 10 mA. Také zmíněný lineární stabilizátor bude v případě potřeby získávat energii ze systému sběru i baterie.

Závěr

Obvody LTC3107 byly navrženy s cílem usnadnit zavedení systému sběru tepelné energie do celé řady nových, ale i stávajících aplikací napájených z primární baterie o napětí od 2 do 4 V. V praxi to pak zahrnuje většinu oblíbených primárních článků s dlouhou životností používaných v nízkopříkonových aplikacích, např. 3 V lithiové baterie mincového typu nebo 3,6 V verze Li-SOCl₂. S prvky LTC3107 získáme to nejlepší z obou světů – spolehlivost bateriového napájení a ještě nižší náklady na údržbu pramenící ze systému sběru tepelné energie, to vše při vynaložení minimálního úsilí.