Dies ist das Viertens Teil einer sechsteiligen Blogserie von Mouser Electronics! Am Ende des Artikels zeigen wir Ihnen einen Link zum Lesen Fünfter Teil …

Drahtlose industrielle Detektion möglich machen

Mark Patrick, für Mouser Electronics

Welche Themen werden die Artikel behandeln?

Industrielle Energie werden in diesen Blogartikeln untersucht: Wie werden neue Materialtechnologien und Konstruktionstechniken im nächsten Jahrzehnt Energieeinsparungen ermöglichen?

Blog 1: Einführung: Industrielle Stromwandlung der Zukunft

Blog 2: Konverter in der vierten industriellen Revolution

Blog 3: Der Wert von Power over Ethernet (PoE)

Blog 4: Energiegewinnung im industriellen Bereich

Blog 5: PoL: Industrieschaltungen vor Energieherausforderungen

Blog 6: Das nächste Jahrzehnt industrieller Energie

Bisher haben wir in diesen Blogbeiträgen die Leistungsaufnahme der Motoren gemessen in Hunderten von kW und die Power over Ethernet (PoE) der Sensoren und Aktoren mit mageren 100 Watt betrachtet. Betrachten wir nun das Power Harvesting, das sich am anderen Ende des Spektrums befindet, wo die Leistung im µW-Bereich liegt.

Wo ist Energy Harvesting sinnvoll?

Das Industrial Internet of Things (IIoT) fügt Sensoren und Aktoren Intelligenz hinzu, um Fertigungsprozesse besser zu steuern und zu überwachen – das Ergebnis ist eine gesteigerte Effizienz und Produktivität. Diese Intelligenz benötigt zumindest eine Form der Datenverarbeitung und -speicherung. Der typische Temperaturüberwachungssensor hat einen Mikrocontroller, einen Speicher und eine Schnittstelle für die Kommunikation. Das Verlegen von Ethernet-Kabeln oder anderen kabelgebundenen Kommunikationssystemen, wie z. B. solchen, die auf seriellen RS432-Verbindungen basieren, kann für den IIoT-Knoten umständlich sein, daher wird häufig eine drahtlose Kommunikation verwendet. Der IIoT-Knoten benötigt etwas Strom, um zu funktionieren, was zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt: Batterien sind leer und der Austausch kostet Zeit und Arbeit. Gleichzeitig funktioniert die Gleichstromversorgung von einem PoE oder Netzteil nur, wenn die richtige Stromversorgung vorhanden ist.

Wenn der Energiebedarf gering ist, besteht die Lösung darin, eine Art lokaler Energie zu gewinnen, um eine Energiequelle zu haben. Ein gutes Beispiel wären Ultra-Low-Power-Mikrocontroller und WLAN-Module, die nur unregelmäßig mit Strom versorgt werden, da Daten gesammelt und in festgelegten Intervallen in Paketen übertragen werden.

Welche Art von Energie können wir einfangen?

Es gibt vier grundlegende Quellen für eingefangene Energie:

• Photovoltaik
• Thermal
• Hochfrequenz (RF)
• mechanische Schwingungen

Die Spannungs- und Stromkennlinien sind jeweils unterschiedlich. Alle erfordern eine Leistungsumwandlung für die endgültige Lastzuleitung. Energiequellen sind auch oft intermittierender Natur. Aus diesem Grund ist es üblich, eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator zu verwenden, um die Versorgung sicherzustellen und den Spitzenbedarf an Energie zu decken.

Photovoltaik

Ein PV-Panel mag die häufigste „kostenlose“ Stromquelle sein, aber für das IIoT ist die Innenbeleuchtung mit etwa 10 µW/cm typischerweise niedrig²im Panelbereich generiert. Idealerweise sollte die Panel-Technologie auch auf die spektrale Reaktion der verfügbaren Beleuchtungsart "abgestimmt" werden, da die effizientesten Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) nicht unbedingt die billigsten oder diejenigen sind, die eine bessere Leistung bieten schlechte Lichtverhältnisse. Eine bessere Option für schwaches Licht ist ein Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)-Gerät, das kostengünstig ist, aber eine geringere Umwandlungseffizienz bietet und Seltenerdmaterialien erfordert. Die Wahl ist nicht einfach, und Photovoltaik-Quellen brauchen auch einen intelligenten MPPT-Controller, um die beste Leistung zu erzielen, wie z SPV1050 verfügbar in ST Mikroelektronik.

Thermal

Der Seebeck-Effekt wird verwendet, um thermische Energie einzufangen: Ein Temperaturgradient zwischen Materialien (normalerweise hochdotierten Halbleitern) erzeugt eine Spannung. Die Energiedichte einer thermoelektrischen Vorrichtung in einer industriellen Umgebung mit hohen thermischen Gradienten kann 100 mW/cm erreichen³. Die Spannung an den Anschlüssen dreht sich bei jedem °C-Gradienten um etwa 1 mV, was die Aufwärtswandlung erschwert. In der Leichtindustrie, wo die Leistungslast niedrig und der Wirkungsgrad hoch ist, kann es schwierig sein, großen thermischen Gradienten zu begegnen. In der Schwerindustrie sind sie jedoch viel häufiger, was die Gewinnung von Wärmeenergie zur geeignetsten Lösung macht.

Hochfrequenz (RF)

HF kann eine Quelle der Energiegewinnung darstellen, obwohl die Energieniveaus intermittierend, niedrig und schlecht definiert sind: vielleicht 0,1 µW/cm² für GSM und 0,01 µW/cm² für WLAN. Der Umwandlungswirkungsgrad kann jedoch relativ hoch sein, bis zu etwa 70 %, mit nützlichen Spannungen, die durch einfache HF-Transformatortechniken erhalten werden. Die Nähe der Hochleistungs-HF-Quelle wirkt sich auf die gesammelte Energie aus, liegt aber bestenfalls nur im Bereich von einigen zehn oder hundert µW. Integrierte HF-Pickup-Module, wie zP2110B de Macht gegossenSie werden einfach an eine externe Antenne angeschlossen und bieten einen geregelten Ausgang von 2 V bis 5,5 VDC mit der Fähigkeit, 50 mA Stoßströmen von einem Speicherkondensator standzuhalten.

mechanische Schwingungen

Durch den piezoelektrischen Effekt kann Energie aus mechanischer Schwingung mit einer Energiedichte von einigen hundert µW/cm gewonnen werden³ (wie in Bild 1 zu sehen). Allerdings können in diesen Fällen die Ausgangsspannungen hoch sein und eine Klemmung erforderlich sein, um eine Überlastung der nachgeschalteten Komponenten zu vermeiden. Das Unternehmen Die Operation der  bietet piezoelektrische Wandler und Tonabnehmermodule wie z S452-J1FR-1808XBmit einer Ausgangsleistung von bis zu 59 mW bei 34 V. Abbildung 1 zeigt einen IIoT-Knoten, der mechanische Schwingungen zur Energiegewinnung nutzt.

Abbildung 1: Ein typischer IIoT-Knoten mit Energy-Harvesting-Funktion und einer drahtlosen Low-Power-Verbindung

In diesem Beispiel wird dem piezoelektrischen Element Strom entnommen, gleichgerichtet und stabilisiert und zur Versorgung des DC/DC-Wandlers verwendet, dessen Ausgang den Mikrocontroller ansteuert, die Sensordaten liest und über den Bluetooth Low Energy-Sender überträgt.

Energiespeicher

Das Energy-Harvesting-Modul ist nur Teil des Prozesses, wenn es die IIoT-Knoten mit Strom versorgt. Der DC/DC-Wandler, der die Elektronik mit Strom versorgt, sollte den geringstmöglichen Standby-Stromverbrauch (IQ) haben, um die im Speicherelement, der Batterie oder dem Superkondensator gespeicherte Energie zu maximieren. Dieses Speicherelement muss möglichst geringe Verluste aufweisen. Der CC/CC muss auch einen hohen Wirkungsgrad haben, der es ihm ermöglicht, wie die Stücke der Serie das Beste aus der verfügbaren Energie zu machen R1800K von Ricoh, die einen Wirkungsgrad von 90 % und einen typischen IQ von 144 nA haben.

Fazit

Energy Harvesting wird häufig verwendet, um die vielen Sensoren mit Strom zu versorgen, die Daten in IIoT-Anwendungen erhalten und übertragen. Die Nähe zu herkömmlichem Gleichstrom ist nicht immer machbar. Licht, Wärme oder Vibration können jedoch zeitweise genügend Energie liefern, um die Erfassung und Übertragung der Daten zu erleichtern, die der Sensor für seine Arbeit benötigt. Diese Technik hat beispielsweise Vorteile in Bezug auf Batterien, da sie die geplante periodische Wartung und damit die Arbeitskosten reduziert.

Im nächsten Blogartikel werden wir uns ansehen, wie man den Wirkungsgrad in der letzten Stufe der Stromwandlung mit Point of Load (PoL)-Wandlern hoch halten kann.

Auf der Website von Mäusefänger Hier finden Sie weitere Informationen zu Energy Harvesting und seinen Produkten.

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