Как сбор энергии микроконтроллерами со сверхнизким энергопотреблением может избавить от батарей

Эффективность имеет решающее значение по своей природе. Максимизация затрат на дополнительные ресурсы за счет их максимального использования повышает производительность, может минимизировать затраты и сократить отходы. Сбор энергии обеспечивает метод использования энергии окружающей среды для питания электрического устройства. Для устройств, содержащих батареи, сбор энергии может либо продлить срок службы батареи, либо полностью заменить вклад энергии батареи.

Микроконтроллеры со сверхнизким энергопотреблением (ULP) - логичный выбор для сбора энергии. Эти устройства используются в носимых технологиях, беспроводных датчиках и других периферийных приложениях, в которых необходимо продление срока службы батареи. Полезно рассмотреть, как сбор энергии работает на практике, чтобы понять ценность того, как сбор энергии позволяет использовать микроконтроллеры ULP.

Как работает сбор энергии

В принципе, сбор энергии - это простая концепция. Проблема, которую необходимо решить, заключается в том, что основные источники энергии (батареи, топливо, сетевое питание) ограничены. Кроме того, преобразование энергии этого источника в полезную энергию не является эффективным на 100 процентов, хотя для улавливания имеется постоянная энергия окружающей среды. Эта реальность является причиной того, почему ветряные турбины являются возобновляемым крупномасштабным источником энергии. Турбины получают потенциальную энергию от ветра, вращая лопасти вокруг ротора, который включает генератор, вырабатывающий электроэнергию. Другие крупномасштабные источники энергии окружающей среды включают солнечные, океанические волны и геотермальное тепло.

Меньшие по размеру технологии, такие как носимые устройства и беспроводные датчики, могут собирать кинетическую, тепловую энергию или энергию электромагнитного излучения окружающей среды. Каждая из этих форм использует свой механизм для преобразования энергии источника в полезную энергию. Полезность и практичность каждого источника - важное соображение, поскольку приложение может ограничивать размер и массу оборудования, необходимого для преобразования энергии.

Тепловое излучение полезно для приложений беспроводных датчиков, так как конструкция и размещение датчика используют обе формы источника энергии. На транспортных средствах датчики, расположенные близко к дороге, могут принимать лучистое тепло от асфальта. Напротив, другие могут использовать энергию движения из мест с высокой вибрацией, например, рядом с колесами или компонентами двигателя. Для микроконтроллеров со сверхмалым энергопотреблением кинетическая энергия, извлекаемая из движения человека-пользователя, является наиболее практичной формой преобразования энергии в настоящий момент.

Возможность для микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением

Поскольку основным применением микроконтроллеров ULP является носимая технология, обработка этих пограничных данных с минимальным энергопотреблением системы имеет решающее значение. Сбор энергии снижает потребность в энергии аккумулятора носимой техники, который содержит ограниченное количество энергии и требует периодической подзарядки или замены после истощения заряда. Батареи также представляют проблему при утилизации, поскольку материалы, из которых состоят батареи, не поддаются вторичной переработке. Сборщики энергии ULP MCU улавливают кинетическую (механическую) энергию через пьезоэлектрические, электромагнитные или трибоэлектрические генераторы.

Пьезоэлектрический

Термин «пьезоэлектрический» происходит от греческого языка и переводится как «сжатие» или «надавливание». Кинетическая сила сжимает пьезоэлектрический материал, создавая электрическое поле. Инженеры выбирают материал на основе ожидаемой механической нагрузки и плотности электрического поля и уравновешивают его потенциал вклада мощности со свойствами материала, которые деформируют материал в присутствии электрического поля. Эти конкурирующие факторы позволяют разработчикам оптимизировать, сколько энергии может внести комбайн для многократного увеличения мощности первичной батареи. Некоторые оценки показывают, что в среднем кинетическое движение может добавить 10 мВт к основному источнику питания для микроконтроллеров ULP.

Электромагнитное излучение

Другой технологией сбора энергии для малогабаритных микроконтроллеров является электромагнитное излучение. Радио, инфракрасное, ультрафиолетовое и микроволны переносят лучистую энергию по воздуху. Окружающие электромагнитные волны вызывают вибрацию структур в магнитном поле, преобразуя энергию механических колебаний в электрическую с помощью магнита преднамеренного размера и конструкции с воздушным зазором. Такой подход дает системе около 0,3 мВт собранной мощности.

Трибоэлектрические наногенераторы

Конечной средой преобразования для микроконтроллеров ULP являются трибоэлектрические наногенераторы (TENG). Эта технология применяет [разнородные] материалы к поверхностям, которые подвергаются трению в результате механических движений, таких как вращение, вибрация, колебание и расширение / сжатие. Электроды скрепляют эти материалы, восстанавливая энергию, возникающую из-за дисбаланса заряда (статического электричества), возникающего при трении материалов друг о друга. Такой подход предлагает дополнительную мощность в 10 раз меньше, чем пьезоэлектрический, или около 1–1,5 мВт .

Носимые технологии и беспроводные сенсорные сети, повседневные применения микроконтроллеров со сверхнизким энергопотреблением, потребляют мощность порядка десятков милливатт. Литий-ионные батареи - отличный вариант для обеспечения такой мощности в течение подходящего периода времени. Однако чувствительность к холодной погоде и потребность пользователей в увеличении срока службы батарей раздвигают границы современной технологии. Сбор механической энергии с помощью пьезоэлектрических, электромагнитных и трибоэлектрических источников обеспечивает до 10 процентов срока службы вспомогательных батарей. Оптимизируя технологию для сопротивления и токовых нагрузок, постоянное совершенствование этой технологии может в конечном итоге устранить необходимость в батареях в устройствах ULP MCU. Это гонка между разработкой миниатюрных батарей и увеличенной мощностью, в которой потребитель готов в любом случае выиграть.