Schaltungen zur Energieernte aus piezoelektrischen und thermischen Quellen entwickeln

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Wahl des Piezoelements für einen drahtlosen Sensorknoten

Die Auswahl eines geeigneten Piezoelements für einen drahtlosen Sensorknoten erfordert präzise Messungen der Resonanzfrequenzen der Quelle und der Amplitude der Beschleunigung bei diesen Frequenzen. Typische Piezoelemente wie die Produkte von Mide Volture haben bei 3 Hz 50% Leistungsbandbreite.

Wenn also die abgestimmte Frequenz des Piezoelements über 1,5 Hz in beiden Richtungen liegt, beträgt die Ausgangsleistung des Piezoelements die Hälfte der vom Umformer verfügbaren Leistung verglichen mit der Leistung bei Spitzenresonanz.

Aus diesem Grund benötigen die meisten Schaltungen, die ihre Energie aus Schwingungen beziehen, ein kundenspezifisches Piezoelement, abgestimmt auf und optimiert für die Energiequelle und die Powermanagement-Schaltung. Die meisten Hersteller von Piezoelementen haben Messausstattungen, die sie benutzen, um die Charakteristika der Quelle zu messen und es wird empfohlen, dass sie bereits früh in die Entwicklung mit einbezogen werden.

9 Tipps zur Auswahl von Standard-Piezoumformern

Wenn der Entwickler eines WSN-Systems nach Standard-Piezoumformern, die ab Lager lieferbar sind, sucht, gibt es eine Reihe von Fragen, die beantwortet werden müssen. Einige der am häufigsten gestellten Fragen, die beantwortet werden müssen, sind:

• 1. Welche Schwingungsquelle wird benutzt?

• a. Wo liegt die Schwingungsfrequenz?

• b. Wie hoch ist die minimale, nominale und maximale Beschleunigung unter der der WSN arbeiten muss?

• 2. Welche Spannung verwendet der WSN?

• 3. Wie viel Energie benötigt der WSN?

• a. für die grundlegende Netzwerkkonfiguration

• b. für Standard-Sensormessungen und die Datenübertragung

• 4. Wie häufig muss der WSN Daten übertragen (bestimmt die durchschnittliche Leistung, die der Wandler benötigt)?

• 5. Wie hoch liegt der Einschaltschwellwert für die Powermanagementschaltung? (Bestimmt die minimale Leerlaufspannung des Piezoelements bei der Vibrationsfrequenz der Quelle und minimaler Beschleunigung von Punkt 1b)

• 6. Wie viel Fläche steht zur Montage des Piezoelements zur Verfügung?

• 7. Wie viel Raum muss für die Höhe des Piezoelements und seinem Gehäuse vorgesehen werden?

• 8. Welche Montageart erfordert die Applikation?

• 9. Welche Umgebungsbedingungen liegen vor (Feuchte, Temperatur,…)?

Der Energiebedarf des drahtlosen Sensorknotens

Die meisten marktgängigen verlustleistungsarmen Mikrocontroller und Sensoren können direkt an einem 3,3-V-Pegel betrieben werden. Wenn zusätzliche Spannungspegel erforderlich sind, gibt es dafür extrem verlustleistungsarme Abwärtswandler, die mit sehr kleinen Strömen bis hinunter zu 1 µA arbeiten.

Angenommen, man betrachtet hier nur Systeme mit einem 3,3-V-Pegel, kann man die für das System erforderliche Energiemenge berechnen, wenn man das Strom/Zeit-Profil für jede Sensormessung und Datenübertragung kennt. In diesem Beispiel wird das folgende Stromprofil für eine einzelne Datenübertragung verwendet:

Vcc beträgt 3,3 V. 1 mA für 12 ms (µP „Wake-Modus“): 39,6 µJ (3,3 mW), 2 mA für 17 ms (Sensormessung): 112,2 µJ (6,6 mW), 23 mA für 1ms (drahtlose Datenübertragung): 75,9 µJ (75,9 mW) ergeben einen Energieverbrauch von 227,7 µJ.

Diese Energiemenge von 227 µJ ist erforderlich für jede Datenübertragung, nachdem das Netzwerk eingerichtet ist. Abhängig davon, welches Netzwerkprotokoll eingesetzt wird, kann die ursprüngliche Netzwerkkonfiguration die zwei- bis dreifache Energiemenge benötigen, weil mehrere Datenübertragungen erforderlich sind, um die Knoten im System sicher einzurichten. Daneben muss das Übertragungsintervall beachtet werden.

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