Полупроводниковая технология следует многим тенденциям, одной из которых является последовательное снижение активной мощности рассеивания для полупроводниковых элементов от одного поколения к следующему. Если бы не эта тенденция, мы, возможно, никогда бы не «открыли» решения по получении энергии из альтернативных источников в противовес остальным. Относительно небольшие объемы энергии, которые могут быть получены с использованием существующей технологии сбора энергии, скудны, но при надлежащих условиях этого более чем достаточно для включения широкого спектра приложений интернет вещей (IoT).
Измерительные узлы в IoT, возможно, являются идеальным вариантом использования для сбора энергии, но все же требуется поверить в альтернативную энергетику, чтобы отойти от «известного и надежного» источника питания, такого как аккумуляторная батарея или автономный генератор, к чему-то гораздо менее ощутимому. Однако, поскольку доступность цифровых решений со сверхнизким энергопотреблением снизила нашу зависимость от мощности источника питания, технология, связанная со сбором энергии, улучшилась.
Солнечные панели стали более эффективны, количество энергии, генерируемой за счет отвода тепла и движения, увеличивается, и, что, возможно, еще важнее, интегральные схемы управления питанием, которые в настоящее время используются в приложениях со сверхнизким энергопотреблением, гарантируют, что больше собранной энергии может быть эффективно использовано. Таким образом, кажется, что пришло время развенчать некоторые мифы о сборе энергии и почему она не может быть практической альтернативой традиционным источникам энергии.
Получение энергии дорого
Некоторые могут полагать, что сбор энергии является дорогостоящим проектом, но они учитывают общую стоимость альтернативных систем. Батареи требуют места, а также некоторой формы зажима для их крепления и удержания, или, по крайней мере, выделенного терминала и выводов. Автономное питание еще более необходимо в виде преобразователя переменного тока в постоянный ток. Обычно это требует использования трансформатора, который является одновременно громоздким и дорогостоящим.
Устройства сбора энергии часто бывают небольшими и «ненавязчивыми» и могут в целом снизить стоимость системы по сравнению с альтернативой. Тем не менее, они также снижают общую стоимость владения, потому что нет батарей для замены (с соответствующим сервисным визитом) и нет питания от переменного тока (с соответствующими кабелями и сертификацией).
Затраты на проектирование также, вероятно, будут ниже, особенно если в качестве альтернативы используется преобразователь переменного тока в постоянный, поскольку их, как известно, сложно спроектировать, если целью является достижение наиболее оптимального по стоимости и производительности решения. С точки зрения технического обслуживания, если устройство не использует вспомогательный источник питания (автономный или аккумуляторный) вероятность отказа меньше, что снижает затраты на обслуживание для поставщика и повышает удовлетворенность клиентов.
Сбор энергии в принципе хорош, но на практике его трудно реализовать
В зависимости от используемой технологии сбора электрической энергии, инженерам может потребоваться адаптировать их подход к проектированию. Необходимо подумать о том, как датчик будет подвергаться воздействию энергии, которую он собирает. Но как только это будет сделано, приложение, использующее собранную энергию, практически не будет нуждаться в обслуживании, так что оно станет «сделано и забыто». Это означает, что они могут быть установлены практически в любом месте и спроектированы для любого форм-фактора практически без компромиссов.
Любая конструкция, использующая автономное питание, также должна быть разработана с учетом источника питания. Кроме того, необходимо будет соблюдать строгие правила безопасности и принимать во внимание доступность, что может накладывать гораздо более существенные конструктивные ограничения. Что касается доступности, то же самое относится и к устройствам с питанием от батареи, так как корпус должен иметь порты доступа для замены батареи.
Эстетика конечного приложения пострадает
По тем же причинам, упомянутым выше, использование надежной и практически одинаковой мощности открывает огромный потенциал с точки зрения дизайна продукта. Преобразователь может стать особенностью дизайна или быть скрытым от глаз. Порты доступа уйдут в прошлое, потому что не будет необходимости доступа внутрь продукта.
Теперь подумайте об устройствах, питающихся от аккумуляторных батарей или других источников питания. Они нуждаются в регулярной подзарядке, что означает, что если они не используют беспроводную связь, им понадобится разъем где-то на внешней стороне, который доступен для пользователя. Разъем зарядки представляет хорошую «точку входа» для грязи, пыли и воды. В зависимости от применения это предъявляет дополнительные требования к печатной плате и ее компонентам, чтобы защитить ее от потенциального проникновения. Кроме того, любой порт, который получает питание, обычно нуждается в какой-либо форме защиты в виде дополнительных компонентов и дополнительных затрат BoM.
Сбор энергии ненадежен
Надежность поставок может вызвать беспокойство. Но на самом деле, если устройство использует солнечную энергию, мы не можем быть уверены, что все дни будут солнечные. Если говорить более серьезно, ключ к устранению беспокойства о «запасах» при сборе энергии заключается в том, чтобы спроектировать его правильно и выбрать наиболее подходящую форму преобразователя для сбора электрической энергии. Они все более разнообразны и теперь включают в себя переключатели, которые вырабатывают энергию от его срабатывания, используя небольшую катушку и магнит, использующий электромагнитную индукцию.
В сочетании с подходящей интегральной схемой управления питанием и емкостным накопителем одно срабатывание может генерировать около 0,3 мВт. Аналогичным образом, датчики могут быть прикреплены к движущимся объектам, таким как дверь, для сбора еще больших мощностей. Эффект Пельтье используется в полупроводниковых преобразователях для генерации энергии из температурных градиентов, которые существуют повсеместно. Вибрация, свет, тепло и даже радиочастотное излучение теперь являются надежными источниками энергии, готовыми к использованию.
Вы не можете генерировать достаточно энергии для беспроводных приложений
До недавнего времени это могло быть правдой, но технологии развиваются. Последняя версия спецификации Bluetooth Low Energy (BLE) особенно подходит для приложений со сверхнизким энергопотреблением, и в настоящее время доступны полупроводниковые решения, которые охватывают это недавнее новшество. Объединение этих разработок с переключателем сбора энергии уже продемонстрировано.
Вырабатываемой мощности достаточно для питания устройства, такого как RSL10 SIP, комплексного решения «система в упаковке» (SiP) с возможностью подключения BLE и полностью интегрированной антенной. Одно нажатие может вырабатывать достаточно энергии, чтобы позволить RSL10 SIP регистрировать срабатывание переключателя, проводить измерения с любого дополнительного датчика (датчиков), обрабатывать данные и передавать их на шлюз Bluetooth при каждом его срабатывании. Это прекрасный пример того, как сбор энергии может быть абсолютно надежным в IoT-приложении.
Аналогичным образом, протокол KNX RF продемонстрировал такую же способность общаться без батареи. Zigbee Green Power удивительно надежен для передачи команд включения и выключения на расстоянии до 30 метров в помещении с помощью всего лишь кнопки выключателя.
Сбор энергии занимает много места
Стоит отметить, что переключатель с возможностью сбора энергии, вероятно, больше обычного переключателя. Но с точки зрения всей системы вы все равно выигрываете, потому что вам не нужно учитывать пространство, необходимое для батарей типа АА или ААА или силового трансформатора. Предполагается, что многие из новых решений будут ненавязчивыми, что также открывает новые возможности в дизайне продуктов, как обсуждалось ранее.
Термоэлектрические преобразователи могут измерять толщину всего в несколько миллиметров и быть прикреплены между радиатором и внутренней частью металлического кожуха, совершенно не видны. Таким образом, они добавляют лишь небольшую дополнительную толщину и обеспечивают то, что по существу является бесплатным источником энергии от выделенного тепла. Думайте об этом как о рекуперативном торможении для встроенной электроники.
Это трудно реализовать
Другое соображение, которое могут возникнуть у инженеров, когда они думают о сборе энергии, — это бремя проектирования — сложно ли его использовать? Хорошей новостью является то, что с каждым днем становится все легче. Возьмите пример с переключателем выше; Переключатель, используемый в этом приложении, является полностью интегрированным решением «Plug & Play». Это исходит от компании, специализирующейся на разработке и производстве обычных переключателей и датчиков, но она увидела возможность объединить свой опыт и перейти в область сбора энергии.
Производители полупроводников все чаще и чаще прибегают к идее сбора энергии, поскольку на рынке постоянно появляются новые решения. Одно из наиболее распространенных решений по сбору энергии — светодиодное садовое освещение — также является одним из лучших примеров простоты дизайна. Эти устройства требуют только простой солнечный элемент, накопительный конденсатор и генератор при включении питания для обеспечения беспроводной связи с датчиками.
Это повлияет на опыт конечного пользователя
Если это правда, то это может быть только в позитивном ключе. Беспроводные технологии до сих пор считаются «мистическими», поэтому представьте себе реакцию клиента на электронное устройство, которое не нужно подключать к источнику питания и в котором замена батарей не требуется. Дисплеи на основе электронных чернил являются еще одним недавним нововведением; они потребляют энергию только при перерисовке дисплея, но не нуждаются в энергии, чтобы отображать текст, который находится на дисплее. Соедините один из них со сборщиком энергии и электроникой с ультранизким энергопотреблением, и у вас есть продукт, который всегда включен, всегда актуален и всегда говорит вам, что вам нужно знать. Если это не является положительным опытом пользователя, тогда я не знаю, как это назвать.
Это просто кладет бремя энергии куда-то еще
Это интересный момент, потому что мы все больше осознаем стоимость использования энергии для окружающей среды, но действительно ли мы ценим «путешествие» нашей энергии? Оно начинается на электростанции и заканчивается нашими электронными устройствами, но все промежуточные стадии доставки электроэнергии к конечному потребителю несут потери. Сбор энергии вырабатывает электроэнергию в точке использования, с меньшим (если есть) промежуточным (потерянным) шагом между производством и потреблением.
Этого не требует закон
Несмотря на то, что сегодня нет никаких обязательств по использованию собранной энергии, существуют правовые требования относительно того, как энергия используется в целом, и как ограниченные ресурсы потребляются и используются повторно. Это распространяется на ряд директив, которые влияют на электронную промышленность, которые в конечном итоге достигают потребителей.
Но зачем ждать законодательство? Принятие сбора энергии имеет много преимуществ, в том числе делает конечную продукцию более устойчивой и, следовательно, привлекательной для рынка. Не думая, что это слишком условно, почему ваши конкуренты первыми заявили о себе как об экологически чистом производителе, когда этот титул вам доступен?
Это не решение 24/7
Надеемся, что данная статья продемонстрировала, что собранная энергия — это нечто большее, чем просто луч солнца в облачном небе. Есть так много способов получать энергию из окружающей среды, что было бы довольно сложно указать на датчик сбора энергии, который не работает 24/7. По умолчанию они являются автономными устройствами; они просто должны подвергаться воздействию окружающей среды, чтобы начать генерировать энергию.
Сбор энергии быстро становится важной частью поддержания интернет вещей IoT, помещая источник энергии прямо в точку использования. Это не только снижает нагрузку на производство электроэнергии в целом, но и уменьшает нашу зависимость от аккумуляторов, которые представляют собой собственный углеродный след. Поскольку число конечных точек IoT увеличивается до многих миллиардов, мы можем ожидать, что сбор энергии станет еще более неотъемлемой частью завтрашнего связанного мира.
Небольшое видео на английском о перспективах применения сбора энергии для интернет вещей IoT:
