Збирачі енергії вібрацій від Mide Technology приходять на зміну батареям

1. Типова структурна схема збирача пьезоенергіі
2. Номенклатура і характеристики
3. надійність вироби
4. Тюнінг датчика - підбір резонансної частоти
5. Плати випрямляча і накопичувача - огляд, призначення
6. Області застосування
7. висновок
8. література

Наши партнеры ArtmMisto

Побудувати систему моніторингу даних з автономним живленням, а саме - що харчуються від вібрації досліджуваного обладнання? Це завдання стає реальною при використанні збирачів пьезоенергіі (пьезогенераторов) Volture виробництва компанії Mide Technology.

Все більше актуальним завданням стає пошук альтернативних джерел живлення і побудова на їх основі різноманітних електронних пристроїв, що використовують, наприклад, енергію сонця або вітру. У разі побудови подібних систем в промислових приміщеннях, вагонах поїздів, автомобілях, де є наявність вібрацій, найбільш прийнятним для живлення електронних пристроїв є п'єзоелектрику. В основі п'єзоефекту лежить властивість деяких кристалів продукувати електричний заряд при стисненні (прямий п'єзоефект) або під дією електричної напруги змінювати форму: стискатися / розширюватися, скручуватися, згинатися (зворотний п'єзоефект). Хоча перше дослідження п'єзоелектричних ефектів зроблено ще в 1880 році братами Кюрі, широке поширення технологія отримала тільки в наші дні. Одним з пріоритетних напрямків досліджень є розробка автономних бездротових датчиків, які отримують енергію від вимірюваного сигналу або використовують інші шляхи отримання механічної дії на п'єзоелектрик. Актуальним їх використання стає в небезпечних нетиповими завданнях - в встановлених у важкодоступних місцях обертових механізмах, сейсмодатчики і так далі. Наприклад, у Великій Британії вже пройшли успішні випробування датчики зносу колісної бази вагонів метро [1]. При русі поїзда вібрації колісної бази вагона перетворюються в електричну енергію, яка використовується для живлення автономних датчиків. Датчик містить мікропроцесор з низьким енергоспоживанням для аналізу вібрацій і радіопередавач, який посилає дані в концентратор. Всі ці елементи об'єднані в вузол бездротового збору даних, встановлений на колісній базі. Такий підхід дозволяє здійснити установку системи в лічені хвилини і при першому ж пуску отримати всю необхідну інформацію. Детектіруемих вібрації дозволяють судити про величину зносу колісної бази, знизити часові та фінансові витрати на проведення планових діагностик, а також підвищити безпеку використання поїздів метрополітену.

Типова структурна схема збирача пьезоенергіі

Мал. 1. Віброгенератори Volture

Одним з лідерів ринку з виробництва п'єзоелектричних збирачів енергії є компанія Mide Technologies, яка забезпечує передовими технологічними продуктами аерокосмічну, морську, автомобільну, науково-дослідну і виробничу галузі.

Випускаються Mide Technologies п'єзоелектричні генератори серії Volture володіють високими експлуатаційними характеристиками і безпечні для навколишнього середовища (рисунок 1). Відмінною рисою пропонованих віброгенераторів серії Volture є наявність захисного кожуха з міді, який герметично запечатує п'єзоелементи і з'єднання з роз'ємом. Такий підхід робить пристрої стійкими до впливів навколишнього середовища, що дозволяє значно продовжити термін служби віброгенераторів і збільшити їх надійність. Пристрої призначені для перетворення в електрику невикористаної раніше енергії вібрації. Такі пристрої можуть живити автономні системи збору даних, закріплені на вузлах машин, верстатів, архітектурних конструкцій [2].

Кожен віброгенератор Volture складається з двох п'єзоелементів, які можуть підключатися незалежно, паралельно (для подвоєння струму, що рекомендується для більшості застосувань) і послідовно (для подвоєння напруги). У звичайному виконанні п'єзоелементи роблять коливання в двох протилежних напрямках щодо осі, тому на виході генератора виникає змінний струм. Типова схема включення віброгенератора містить випрямляч і контролер зарядки акумуляторів (малюнок 2).

Мал. 2. Типова схема бездротового пристрою з віброгенератори

При установці генератора один кінець закріплюється на вібрує підставі, а інший залишається вільним. Ефективність роботи такої системи залежить від резонансної частоти отриманого маятника. Віброгенератори Volture випускаються декількох форм і розмірів і підходять для різних діапазонів робочих частот. Точна настройка під параметри вібрації виконується за допомогою важків. Від частоти коливань і їх амплітуди залежить і потужність генератора (рисунок 3).

Мал. 3. Залежності потужності генератора V20W від частоти і амплітуди вібрації

Номенклатура і характеристики

У серії Volture виробництва компанії Mide Technology представлені всього шість модифікацій віброгенераторів. Всі представлені пристрої мають схожий форм-фактор і однаковий температурний режим: для всіх серій діапазон робочих температур знаходиться в межах -40 ... 90 ° С і -40 ... 150 ° С без з'єднувача, температура пайки 300 ° С (до 10 секунд). Максимальна напруга і струм кожного окремого виробу залежить від вібраційних характеристик, до яких відноситься частота вібрацій (таблиця 1) і максимальна амплітуда відхилень кінчика пластини пристрою (таблиця 2, малюнок 4).

Мал. 4. Приклад граничного прогину віброгенераторів Volture

Таблиця 1. Електричні характеристики віброгенераторів Volture

Найменування Ємність однієї пластини при 100 Гц, нФ Опір однієї
пластини при 100 Гц, Ом Ємність однієї пластини при 120 Гц, нФ Опір однієї
пластини при 120 Гц, Ом V20W 69 390 69 340 V25W 130 210 130 175 V21B 26 950 26 770 V21BL 26 950 26 770 V22B 9 2400 9 2000 V22BL 9 2400 9 2000

Таблиця 2. Максимальна амплітуда вібрацій віброгенераторів Volture

Найменування Максимальне відхилення кінчика пластини, дюйм V20W 0,1 V25W 0,15 V21B 0,06 V21BL 0,18 V22B 0,03 V22BL 0,12

надійність вироби

Незважаючи на велику амплітуду вібрацій, віброгенератори Volture мають досить високою надійністю, яка ґрунтується на особливій запатентованої технології виробництва. П'єзоелектричні матеріали укладені в захисний мідний кожух з заздалегідь прикріпленими електричними висновками (малюнок 5). Захисний кожух забезпечує електричну ізоляцію, захист від вологості і активних забруднюючих речовин. Наявність висновків у формі з'єднувача дозволяє проводити підключення пристроїв без використання пайки. Володіючи малою товщиною (близько 0,61 ... 0,86 мм), вироби мають високу надійність і міцність, що дозволяє використовувати їх в пристроях складних форм, а можливість створювати з них мульти-пьезомассіви робить їх ідеальними для використання в датчиках, виконавчих механізмах збору енергії та інших тактильних додатках [3].

Мал. 5. Внутрішня будова віброгенераторів Volture

Тюнінг датчика - підбір резонансної частоти

Перший крок в успішній реалізації системи збору енергії - максимальне використання характеристик середовища, в якій буде працювати пристрій Volture. Найбільш ефективним засобом для досягнення цієї мети є вимір вібрації за допомогою акселерометра, збір даних, а також виконання БПФ (Швидке перетворення Фур'є) над даними для добування інформації про частоту. Деякі додатки не вимагають цього кроку, так як їх домінуючі частоти відомі. Прикладом цього можуть бути промислові двигуни частотою 100 Гц AC або побутові, частотою 50 Гц. Проте, у більшості пристроїв частота вібрації може значно варіюватися. Наприклад, вібрації автомобілів або вертольотів можуть перебувати в низькому діапазоні близько 30 Гц. Для максимальної ефективності роботи віброгенератори Volture повинні бути налаштовані на частоту вібрацій пристрою, на яке вони встановлюються.

Найпростішим і надійним засобом для настройки Volture є використання додаткових тягарців уздовж довжини перетворювача. Приміщення додаткової ваги на наконечник дозволяє знизити природну частоту роботи Volture. Для цих цілей компанія Mide пропонує тонкі наконечники з вольфраму, які проходять відповідну обробку, щоб поміститися в ультранизьким профіль віброгенераторів Volture. Вироби виготовлені з вольфраму для досягнення найкращого показника співвідношення маси й обсягу. Додаткова маса може бути прикріплена до пристроїв Volture з використанням клею для стаціонарного встановлення або бджолиного воску для дослідження роботи прототипу. Для кожної окремо встановленого блоку маси можна досягти точного налаштування пристрою на необхідну частоту шляхом простого переміщення маси вольфраму уздовж довжини пристрою [4].

Плати випрямляча і накопичувача - огляд, призначення

Представлені віброгенератори Volture є тільки первинними перетворювачами енергії. Для живлення електронних пристроїв перетворену енергію потрібно ще зібрати, стабілізувати і акумулювати. Для цього компанія Mide Technology пропонує ряд випрямних і накопичувальних плат [5].

Мал. 6. Зовнішній вигляд плати випрямлячів
EHE001c і EHE001nc

Мал. 8. Зовнішній вигляд плати випрямляча EHE004

Найпростішим перетворювачем є випрямна плата EHE001c і EHE001nc (малюнки 6 і 7). Цей подвійний двонапівперіодний випрямляч підключається безпосередньо до роз'єму будь-якого Volture і забезпечує на виході нерегульований постійний струм, що спрощує оцінку продукту. Компанія Mide в даний час пропонує дві модифікації цього випрямляча. Розрізняються вони тільки одним елементом в схемі. EHE001c має на виході конденсатор 10 мкФ для згладжування пульсацій, а EHE001nc не має даної ємності на виході. На EHE001c вихідна напруга обмежується стабілітронів на 15 В [6].

Мал. 7. Типова схема побудови плати випрямлячів EHE001c і EHE001nc

Випрямна плата EHE004 підключається безпосередньо до будь-якого п'єзоелектричного перетворювача Volture і перетворює вихідний змінну напругу від віброгенератора в постійне. EHE004 складається з двухполуперіодного випрямляча, конденсатора ємністю 200 мкФ для накопичення енергії і перетворювача з комутацією вихідним напругою (малюнки 8 і 9). Вихід може бути налаштований на рівні в 1,8; 2,5; 3,3 і 3,6 В. У разі необхідності в схему можуть бути додані конденсатори більшої ємності. В якості перетворювача використовується мікросхема контролю заряду Linear Technology LTC3588-1 - високоефективний перетворювач для роботи з високоімпенданснимі джерелами енергії, такими як віброперетворювачі. З огляду на те, що кожен продукт збору енергії Volture має дві п'єзоелектричні пластини, EHE004 надає користувачеві можливість підключення цих пластин послідовно або паралельно [7].

Мал. 9. Схема побудови плати випрямляча EHE004

Накопичувальна плата EHE005 PEHBLE (Piezo-Energy Harvesting Battery Life Extender) - пристрій управління живленням, яке поєднує в собі надійність літієвої батареї з відновлюваною енергією. Комбінований підхід використання перетвореної енергії і літієвої батареї (з можливістю заміни) на борту гарантує постійну подачу потужності в навантаження. В системі використовується інтелектуальний підхід до вибору джерела живлення: від джерела коливань або від вбудованої батареї. В основі пристрою лежить чіп LTC3330 Linear Technology, який стежить за рівнем вхідного напруги від Volture і в разі його падіння нижче порогового значення перемикає вихід на харчування від батареї (рисунок 10). Система ідеально підійде для таких додатків, як віддалені бездротові зонди, де енергія вібрації може бути присутнім в незначній мірі і необхідно забезпечити резервне батарейне харчування для виконання всього циклу робіт [8].

Мал. 10. Схема побудови плати випрямляча EHE005

Області застосування

Міцна герметична конструкція з низьким профілем, доступна в різних типорозмірах, забезпечує широкий спектр використання віброгенераторів Volture:

• моніторинг в системах безпеки і промислових мережах збору даних;
• датчики систем обслуговування;
• бездротові датчики HVAC;
• системи мобільної сигналізації;
• датчики тиску в шинах;
• датчики в нафто- і газопроводах;
• всі повітряні, земляні та водні датчики вимірювання кліматичних параметрів;
• автомобільні датчики;
• застосування в якості заміни батарейного і проводового харчування в малопотужних системах.

Найбільш популярною сферою використання пристроїв Volture є побудова автономної бездротової мережі збору даних про параметри технологічного обладнання. Такий підхід дозволяє проводити встановлення вимірювального обладнання без зупинки як виробництва в цілому, так і окремих ліній. Як відомо, на виробництві використовується значна кількість кабельних з'єднань, і додаток кожної нової лінії значно ускладнює існуючу кабельну систему, тому дані системи найбільш оптимальні в використанні з бездротовими модулями передачі даних. Зібрані дані можуть бути досить різноманітними. Це можуть бути технологічні параметри, де найбільш цінною є інформація про стан рухомих частин обладнання, раніше недоступна для автоматичного контролю. Як в наведеному раніше прикладі про знос колісної бази вагонів метро, ​​так і в промисловості величина вібрацій характеризує ступінь зносу устаткування. На малюнках 11 і 12 наведені приклади використання віброгенераторів Volture на промислових установках [9]. Наявність відхилень у характері вихідного струму пристроїв вже може служити показником характеру функціонування та стану контрольованого обладнання.

За допомогою спеціальних вантажів віброперетворювачі можуть бути налаштовані на частоту 50 Гц для досягнення максимальної енергоефективності при роботі з вітчизняними промисловими установками.

висновок

Розглянуті високоякісні віброгенератори Volture виробництва компанії Mide Technology і їх додаткові плати перетворення і накопичення енергії дозволяють вирішити практично будь-яке завдання побудови автономної системи для роботи в середовищі з наявністю механічних вібрацій. Ізольований герметичний корпус, мала товщина і наявність цілого ряду типорозмірів дозволяють використовувати пристрої Volture для вирішення широкого кола завдань - від установки в портативні прилади до побудови біомедичних і промислових систем моніторингу даних.

література

1. http://www.perpetuum.com/resources/Monitoring%20bearing%20health%20wirelessly.pdf.
2. https://www.terraelectronica.ru/news_utr.php?ID=77.
3. http://www.mide.com/products/piezo-protection-advantage.php.
4. http://www.mide.com/products/volture/tungsten-tuning-masses-for-vibration-energy-harvesting.php.
5. http://www.mide.com/products/volture/energy-harvesting-electronics.php.
6. http://www.mide.com/pdfs/volture_EHE001_Datasheet.pdf.
7. http://www.mide.com/pdfs/volture_EHE004_Datasheet.pdf.
8. http://www.mide.com/pdfs/PEHBLE-datasheet-EHE005.pdf.
9. 9. http://www.perpetuum.com/appsaction.asp.