Může sběr energie podnítit rozmach internetu věcí?

Inteligence dnes rychle proniká do celé řady „věcí“ okolo nás – od žárovek, domácích spotřebičů či automobilů až po senzory používané v medicíně, průmyslové stroje, a dokonce i celá města. Žijeme evidentně v době internetu věcí (IoT). Agentura Gartner například v souvislosti s propojenými uzly IoT předpokládá do roku 2020 jejich nárůst na 20,4 miliardy, tj. mnohem více, než je počet lidí aktuálně žijících na Zemi.

Rozmach internetu věcí se však neobejde bez překážek. Jeden z náročných úkolů třeba spočívá v zajištění dodávky energie pro zmiňované miliardy zařízení IoT. 24 hodin denně a 7 dnů v týdnu, bez ohledu na jejich umístění nebo způsob využití. Také zde máme určité náklady a lidské „zdroje“ vyžadované k pravidelné výměně baterií. U takových zařízení však musíme posoudit i dopad veškerých dodatečných energetických požadavků přímo na životní prostředí.

Aktuálně se formující řešení, které dokáže reagovat na zmiňovaná omezení, spočívá ve sběru energie. Za přispění takové technologie pak lze energii zachytávat z okolního prostředí a přeměnit ji na elektřinu. Může to být z mnoha dostupných zdrojů, kupříkladu okolního světla, vibrací, tepla či vf signálu, které by jinak zkrátka přišly vniveč.

Smysl sběru energie v souvislosti s internetem věcí nespočívá v generování ohromného výkonu, ale spíše ve vyhledávání malého množství, kdekoli se jen může vyskytovat. Získaný výkon se např. u okolního světla v závislosti na tom, zda předpokládáme vnější nebo vnitřní zdroje, běžně pohybuje mezi 10 μW/cm² a 10 mW/cm². Energie generovaná při pohybu bývá v řádu 4 μW/cm² až 100 μW/cm², opět dle typu zdroje, tj. zda uvažujeme člověka nebo stroj. Podobně tepelná energie, kterou lze načerpat z lidského těla, dosahuje zhruba 30 μW/cm² a v případě vysokofrekvenčního signálu pak okolo 0,1 μW/cm².

Jednoduše řečeno, sběr energie umožní firmám maximální možnou měrou využít potenciálu internetu věcí a šetřit přitom čas i prostředky, které by jinak „spolykaly“ baterie. Podle společnosti IDTechEx pro výzkum trhu by mohl celosvětový roční objem v oblasti sběru energie překročit do roku 2022 částku pět miliard dolarů. Jak si ale taková technologie vede, uvážíme-li nastolenou vzestupnou tendenci?

Stavební kameny systému sběru energie

Sbírání energie v podstatě zahrnuje tři kroky: shromažďování, přizpůsobení a ukládání. Převodník zachytává energii z daných zdrojů, např. okolního světla, tepla, vibrací, tlaku, vf signálu apod. a na svém výstupu již dodává energii elektrickou. Integrovaný obvod pro řízení napájení pak v další fázi přizpůsobí dostupné elektrické napětí tak, aby vyhovovalo zátěži. A to ještě předtím, než přijde do styku s akumulačním prvkem, obvykle superkapacitou sloužící jako zásobník mezi nestálým a také měkkým primárním zdrojem energie a nepřetržitou, výkonově náročnější zátěží.

V závislosti na primárním zdroji energie využívají systémy jejího sběru odlišné druhy převodníků. Fotovoltaické návrhy třeba zachytávají světelnou energii jak ve venkovních podmínkách, tak též uvnitř budov a ve spotřebních či průmyslových aplikacích doplňují, nebo rovnou vylučují potřebu baterií. Stejně tak budou piezoelektrické měniče generovat napětí při mechanickém namáhání způsobeném tlakem či pohybem. Kvůli vibracím přítomným všude okolo nás, v automobilech, letadlech, u mechanických strojů, a dokonce i v případě lidského těla, slibují tyto převodníky přísun energie pro mnohá zařízení IoT. PPA-1021 od Mide je např. piezoelektrickým převodníkem s tloušťkou 0,74 mm generujícím na základě zpracování vibrací stejnosměrný výstup s parametry 4,5 mW při 28,2 V.

S využitím ztrátového tepla dodávají energii termoelektrické převodníky. Stačí jen zajistit teplotní rozdíl na spojení dvou odlišných kovů (známe též jako Seebeckův jev). Modul teplotního sběru Micropelt TE-CORE byl navržen tak, aby zachytil lokálně dostupné ztrátové teplo, ze kterého pak vyrábí elektřinu. Při práci s teplotním rozdílem menším než 10 °C nabízí konfigurovatelný výstup mezi 1,8 V a 4,5 V.

Kromě fotovoltaických, piezoelektrických a také termoelektrických převodníků zde rovněž máme vf systémy, které znovu pro účely napájení usměrňují a převádí na sebe směrované vysokofrekvenční signály. RF Powerharvester P2110 (Powercast) na pozici přijímače generuje za přispění vf signálů s nižšími kmitočty napětí přibližně 5,25 V a zajišťuje přitom výstupní proud o velikosti až 50 mA. Ve spolupráci s nízkopříkonovým mikrokontrolérem (MCU), senzory a rádiovým modulem lze zmíněný přijímač využít na pozici kompletního, bezdrátově řešeného uzlu vybaveného čidly, bez potřeby baterie a s vf vstupem na úrovni jen –11,5 dBm. Z možných aplikací zmiňujeme např. monitorování v průmyslu, systémy automatizace budov, chytré rozvodné sítě, zemědělství či obranu.

Sesbíraná energie a její řízení

Abychom přizpůsobili vytěženou energii a udrželi pro připojenou zátěž i stabilní napájení, neobejdeme se při návrhu systému sběru bez nějaké formy integrovaného obvodu pro řízení napájení (PMIC). PMIC S6AE101A od Cypress byl navržen pro účely sběru energie v podmínkách se skutečně malými výkony a v provozu si tak žádá proud o velikosti jen 250 nA, resp. počáteční výkon pouze 1,2 μW. Dostatečné množství energie k činnosti zařízení internetu věcí mohou proto s těmito čipy zajistit kompaktní solární články při nízké intenzitě osvětlení zhruba 100 lx. Jak vidíme na obr. 1, vyrobenou energii uložíme ve výstupním kondenzátoru a využijeme přitom řízení vlastního spínače. Pokud by výkon získaný ze solárních panelů pro připojenou zátěž přesto nestačil, lze si ještě pomoci rezervou v podobě baterie. Takové řešení pro bezdrátové uzly senzorů bez potřeby baterie a s přepěťovou ochranou OVP využijeme např. u bezdrátových čidel určených pro systémy HVAC, osvětlení nebo zabezpečovací techniku a k tomu ještě u chytrých senzorů s rozhraním Bluetooth®.

Dalším obvodem typu PMIC vyhrazeným sběru energie z okolního prostředí bude LTC3588-2 od Analog Devices. Lze k němu přímo zapojit piezoelektrické, solární či magnetické převodníky, přičemž napěťové průběhy dokáže usměrnit a získanou energii ukládá ve vnější kapacitě. K odčerpání přebytečné energie zde poslouží interní stabilizace s diodou, a pokud jde o výstupní napětí, to pak bude regulováno synchronně snižující strukturou nano-power s vysokou mírou účinnosti. Spolu se čtyřmi volbami výstupního napětí 3,45 V, 4,1 V, 4,5 V a 5,0 V lze pokrýt nepřetržitý výstupní odběr až 100 mA. Abychom zajistili přepěťovou ochranu, nalezneme na čipu vstupní ochranný 20V prvek. Možné využití zahrnuje třeba senzory tlaku v pneumatikách nebo mobilní sledování zboží.

K nabíjení a ochraně mikrovýkonových článků pro ukládání energie nabízí společnost Maxim Integrated struktury PMIC MAX17710 z obr. 2, vybavené zvyšujícími obvody. Řešení zahrnuje pouzdro typu UTDFN s 12 vývody a celý čip pak bude speciálně navržen pro nevalně regulované zdroje. Typicky takové, se kterými se běžně setkáváme v oblasti sběru energie. Využít lze přitom napěťové úrovně pouhých 0,75 V. Zatímco výstupní hodnoty zde dosahují 1 μW až 100 mW, obvody MAX17710 rovněž nabídnou vlastní regulaci spojenou s ochranou proti přebíjení. Výstupní napětí zajišťovaná pro cílové aplikace jsou pak regulována s využitím nízkoúbytkového lineárního stabilizátoru LDO s volitelnými úrovněmi 3,3 V, 2,3 V nebo 1,8 V. Za účelem minimálního zatížení článku pracuje výstupní regulace s volitelnými režimy nízkého nebo též extra nízkého příkonu.

Dostatečný výkon, kdykoli je potřeba

Pro svou schopnost ukládat množství energie zajišťují superkapacitory v systémech závislých na sběru energie stabilní napájení trvale připojené zátěže. Superkapacitory řady DMH od firmy Murata s velkými hodnotami své kapacity budou pro taková zařízení sloužit jednak jako úložný prvek a stejně tak též na pozici součástky, která dostane prostor při vykrývání špičkových odběrů. Díky kapacitě 35 mF, jmenovitému napětí 4,5 V a odporu ESR na úrovni 300 mΩ, to vše v provedení o rozměrech 20 × 20 × 0,4 mm, budou takové kapacity vhodným řešením pro aplikace s omezeným prostorem a také výdrží bateriového zdroje. Návrh odpovídající tloušťce papíru se bez potíží dostane pod baterii mincového typu, dovnitř chytrých karet, příp. jej osadíme též za zobrazovací panel přístroje. O slovo se tak předně hlásí nositelné technologie, prodejní systémy, e-čtečky nebo chytrá vstupně-výstupní zařízení s malou výškou.

Vyvíjíme nová zařízení

Vývojový nástroj eZ430-RF2500-SEH od společnosti Texas Instruments pro sběr solární energie umožňuje vývojářům navrhovat a také testovat nepřetržitě napájenou síť bezdrátových čidel. Řešení se odvíjí od MCU s extrémně nízkou spotřebou a zahrnuje účinný solární panel poskytující dostatečný výkon k provozování aplikací s bezdrátovými senzory bez potřeby jakýchkoli dalších baterií. A to i za předpokladu světelných podmínek uvnitř budov.

„To Go Kit“ (Würth Elektronik) se také řadí mezi kompletní vývojové nástroje. Na jednom místě totiž nabídne sběr energie, její řízení a také ukládání. Kit na pozici dvou zdrojů čerpajících ze svého okolí nabízí solární panel o rozměrech 32 × 50 mm spolu s termogenerátorem popsaným rozměry 40 × 40 mm. Zapomenout ale nesmíme ani na MCU Giant Gecko EFM32 se 48MHz jádrem ARM Cortex™ M3.

Technologie pro sběr energie dávají příslib „zeleného“ zdroje napájení prakticky kdekoli. Vývojáři tak mají plné ruce práce s vyhledáváním dalších nových příležitostí. Vědci na univerzitě v Michiganu se např. přiblížili ke skutečné podstatě tím, že vyvinuli zařízení poháněné tlukotem lidského srdce. Bude tak možné napájet kardiostimulátor nebo implantovaný defibrilátor. Takový pokrok snad pomůže vyloučit riziko a také útrapy spojované s pravidelnou výměnou baterií v klíčových zařízeních používaných v medicíně. V podobném duchu pak výzkumníci pracují na sběru energie z tepla generovaného lidským tělem, z pohybu nebo i chvění. Smyslem je podpořit výkonové požadavky zařízení internetu věcí vhodných k implantaci. Energie máme všude okolo sebe prostě nadbytek, nicméně v současné době ji nedokážeme plně využít. Sběr energie však takovou mezeru překonává a ve výsledku sehraje nezanedbatelnou roli u veškerých usilovných pokusů, které nás ještě čekají.