Coletores de energia para substituir baterias em sensores wireless

Por Jim Drew

Recentes avanços em microcontroladores ultra-low power produziram dispositivos que oferecem níveis sem precedentes de integração para a quantidade de energia que eles precisam para operar.

Estes são sistemas em um chip com esquemas de economia de energia agressivos, tais como o desligamento de energia para inativar funções. De fato, é necessário tão pouca energia para que estes dispositivos funcionem que muitos sensores estão se tornando wireless, já que eles prontamente funcionam a bateria. Infelizmente, baterias devem ser regularmente substituídas, um projeto de manutenção caro e desajeitado. Uma solução wireless mais efetiva poderia ser coletar energia mecânica, térmica ou eletromagnética do ambiente no local do sensor.
O LTC3588-1 mostrado na figura 1 é uma solução de coleta de energia completa, otimizada para fontes de alta impedância como transdutores piezoelétricos. Ele contém uma ponte retificadora de onda completa com baixa perda e um conversor buck de alta eficiência, que transfere energia de um dispositivo de armazenamento de entrada para uma saída em uma tensão regulada capaz de suportar cargas de até 100mA. O LTC3588-1 está disponível em encapsulamentos 10-lead MSE e 3x3mm DFN.

Fig. 1. Solução de coleta de energia completa, otimizada para fontes de alta impedância como transdutores piezoelétricos.

Fontes de energia ambiente

Fontes de energia ambiente incluem luz, diferenças de calor, vibrações, sinais RF ou qualquer outra fonte que possa produzir uma carga elétrica através de um transdutor. Pequenos painéis solares têm alimentado dispositivos eletrônicos portáteis por anos e podem produzir 100s de mW/cm² em luz solar direta e 100s de µW/cm² em luz indireta.
Dispositivos Seebeck convertem energia térmica em energia elétrica onde um gradiente de temperatura está presente. Fontes de energia térmica variam de calor corporal, que pode produzir 10s de µW/cm² a uma saída de exaustão de um forno onde a superfície pode produzir 10s de mW/cm². Dispositivos piezoelétricos produzem energia ou por compressão ou deflexão do dispositivo. Elementos piezoelétricos podem produzir 100s of µW/cm² dependendo de seu tamanho e construção. Coleta de energia RF é feita por uma antena e pode produzir 100s of pW/cm².
Projetar com sucesso um sistema wireless completamente sustentável exige microcontroladores e transdutores que consomem pouca energia de ambientes com baixa energia. Agora que ambos estão disponíveis, o elo perdido é o dispositivo de conversão de energia de alta eficiência capaz de converter a saída do transdutor para uma tensão utilizável.

A figura 2 mostra um sistema de coleta de energia que inclui a fonte/transdutor de energia, um elemento de armazenamento de energia e os meios de converter esta energia armazenada em uma tensão regulada útil. Pode haver também a necessidade por uma rede de retificadores de tensão entre o transdutor de energia e o elemento de armazenamento para prevenir retroalimentação para o transdutor ou para retificar um sinal AC no caso de um dispositivo piezoelétrico.

Fig. 2: Componentes de um sistema de coleta de energia

Exemplos de aplicação

O LTC3588-1 requer que a tensão de saída do transdutor esteja acima do limite do lockout de sub-tensão para a saída de tensão específica definida nos pinos de entrada  D0 e D1. Para a máxima transferência de energia, o transdutor de energia deve ter uma tensão de circuito aberto com o dobro da tensão de entrada de operação e uma corrente de curto-circuito com o dobro da corrente de entrada requerida. Estas exigências devem ser satisfeitas com um mínimo de nível de excitamento da fonte para conseguir uma energia de saída contínua.
A figura 3 mostra um sistema piezoelétrico que, quando posicionado em um fluxo de ar, produz 100µW de energia com 3.3V. A deflexão do elemento piezoelétrico é de 0,5cm em uma frequência de 50Hz.

Fig. 3: Coletor de energia piezoelétrica

A figura 4 mostra um sistema de coleta de energia que usa um transdutor Seebeck da Tellurex Corporation. Um diferencial de calor produz uma tensão de saída que suporta uma carga de 300mW. Conectando o transdutor à entrada PZ1 previne que correntes reversas retornem para o dispositivo Seebeck quando a fonte de calor é removida. O resistor de 100Ω é um limitador de corrente para proteger a ponte de entrada do LTC3588-1.

Fig. 4: Coletor de energia Seebeck.

Pode-se também coletar energia do campo eletromagnético produzido por luzes fluorescentes padrão. Esta aplicação requer alguma criatividade. A figura 5 mostra um sistema que coleta energia do campo elétrico circulando tubos fluorescentes de alta tensão. Dois painéis de cobre de 12”x 24” são colocados a 6” de uma instalação de luz fluorescente de 2’x 4’. Os painéis de cobre coletam capacitivamente 200µW do campo elétrico e o LTC3588-1 converte esta energia para uma saída regulada.

Fig. 5: Coletor de energia de campo elétrico.

Conclusões

O LTC3588-1 permite sensores remotos operarem sem baterias ao coletar energia ambiente dos arredores. Ele contém todas a funções de gerenciamento de energia críticas: uma ponte retificadora de baixa perda, um regulador buck de alta eficiência, um detector UVLO de baixo consumo que desliga e liga o conversor buck , e um sinal de status PGOOD para tirar o microcontrolador do modo standby quando a energia está disponível. O LTC3588-1 suporta cargas de até 100mA com apenas cinco componentes externos.

Texto traduzido de http://www.electronics-eetimes.com/news/energy-harvesters-replace-batteries-wireless-sensors?news_id=81145