Dispositivos de Captação de Energia Adicionam a Reintrodução de Energia para Dispositivos

Dispositivos vestíveis, pequenos dispositivos móveis e qualquer dispositivo que requeira tempo de funcionamento perpétuo podem se beneficiar das capacidades de captação de energia. Isso pode ser usado para estender a vida útil da bateria ou fornecer uma fonte de energia de reserva útil se a energia primária for desconectada. Aplicações possíveis podem ser encontradas em dispositivos IoT, equipamentos militares, redes de sensores e até veículos autônomos.

Se você está procurando manter o tempo de funcionamento, carregar/estender baterias ou até mesmo criar uma fonte de energia primária, você precisará escolher entre três principais tecnologias de captação de energia. A tecnologia certa dependerá do ambiente onde o dispositivo será implantado, mas o uso criterioso desses dispositivos pode fornecer a energia extra de que seu dispositivo precisa.

Métodos de Captação de Energia para PCBs e Pequenos Eletrônicos

Assim como as tecnologias modernas de geração de energia, todos os dispositivos de captação de energia convertem alguma fonte prevalente de energia em eletricidade. Em dispositivos eletrônicos menores, as tecnologias de captação de energia mais recentes são projetadas para converter energia mecânica, térmica ou eletromagnética de fundo em energia elétrica. Esta energia pode então ser usada para carregar uma bateria, ou pode ser armazenada em um capacitor.

Ao trabalhar em um ambiente onde ondas de rádio são usadas para comunicação entre dispositivos, há momentos em que essa energia RF extra basicamente é desperdiçada. Usar uma antena omnidirecional para comunicação espalha energia RF por toda parte. Dispositivos que captam essa energia extra podem ser usados para estender a vida útil da bateria enquanto permanecem móveis.

Se você está trabalhando com equipamentos que produzem uma quantidade significativa de calor desperdiçado, você pode usar esse calor desperdiçado para alimentar dispositivos eletrônicos explorando o efeito Seebeck. Geradores termoelétricos estão amplamente disponíveis e são úteis para alimentar pequenos eletrônicos. A eficácia desses geradores depende do gradiente de temperatura entre a fonte de calor e o ambiente, e isso deve ser considerado ao escolher o gerador termoelétrico certo.

Finalmente, você pode ter um dispositivo que será montado perto de um sistema que produz alguma vibração mecânica. Você pode converter essa energia mecânica em energia elétrica usando um gerador piezoelétrico.

Um módulo gerador termoelétrico

Parâmetros a Considerar ao Escolher Dispositivos de Captação de Energia

Se você está planejando incluir um módulo de captação de energia RF ou micro-ondas no seu próximo dispositivo, você precisará considerar a banda de frequência do módulo. A maioria dos módulos tem largura de banda estreita e terá eficiências de conversão de energia baixas fora da largura de banda definida. No entanto, se você deseja captar em uma gama mais ampla de frequências, você pode usar vários módulos com diferentes respostas de frequência. Você também precisará considerar a impedância de entrada e os requisitos de layout da antena receptora para evitar efeitos de linha de transmissão e perda de alimentação.

Geradores termoelétricos possuem uma faixa de temperatura definida na qual são mais eficientes. Embora a corrente colhida desses dispositivos dependa do gradiente de temperatura entre os lados quente e frio do dispositivo, há um ponto em que a resposta elétrica desses dispositivos se torna não linear. Exceder a temperatura máxima avaliada e o gradiente de temperatura não produzirá significativamente mais corrente do gerador. Em vez disso, a corrente de saída começará a saturar em algum valor máximo.

Geradores piezoelétricos têm uma resposta não linear semelhante uma vez que a amplitude de vibração excede um certo valor. Eles também têm uma largura de banda de resposta definida que fornece máxima eficiência de conversão de energia. O ambiente vibracional no qual esses dispositivos serão usados deve ser cuidadosamente examinado antes de escolher um gerador piezoelétrico. Felizmente, a largura de banda da maioria dos módulos de retificação/regulação piezo é muito mais ampla do que a largura de banda do piezo, então você terá alguma liberdade com o módulo que escolher.

Powercast, P1110B

O P1110B é um módulo que colhe sinais de RF de fundo e os converte em uma tensão DC. Este CI montado na superfície tem uma pequena pegada e é ideal para uso em uma pequena PCB. O receptor pode alcançar 70% de eficiência de conversão na faixa de frequência de 902-928 MHz, embora o módulo ainda possa colher energia fora desta banda.

A energia de saída pode ser usada para carregar uma bateria diretamente em vez de ser armazenada em um capacitor. Ao colocar este módulo em sua PCB, certifique-se de projetar sua linha de alimentação RF como um traço de 50 Ohm curto para garantir a correspondência de impedância e prevenir perdas de alimentação. A antena de entrada RF e a linha de alimentação devem ser isoladas do plano de terra.

O P1110B converte energia RF em DC e fornece a energia ao elemento de armazenamento anexado. Quando um limiar de tensão ajustável no elemento de armazenamento é alcançado, o P1110B desabilita automaticamente o carregamento. Um microprocessador pode ser usado para obter dados do componente para melhorar a operação geral do sistema.

Circuito de aplicação típico da página 8 do datasheet do P1110B

Linear Technology, LTC3588EDD-1PBF

O LTC3588EDD-1PBF é especificamente projetado para aplicações de coleta e armazenamento de energia. Este CI compacto funciona como um retificador e regulador de tensão para aplicações de colheita de energia piezoelétrica. O LTC3588-1 colhe energia vibracional ambiente através de um elemento piezoelétrico e armazena a saída retificada com um capacitor. Vibrações de frequência mais alta produzirão uma corrente maior, onde vibrações moderadas de kHz produzirão níveis de corrente de mA.

O LTC3588-1... é projetado para se conectar diretamente a uma fonte de energia piezoelétrica ou alternativa de A/C, retificar uma forma de onda de tensão e armazenar energia colhida em um capacitor externo, sangrar qualquer excesso de energia via um regulador de shunt interno, e manter uma tensão de saída regulada por meio de um regulador síncrono de buck de nanopotência e alta eficiência.

Encontrado na página 12 do datasheet do LTC3588EDD-1PBF

Linear Technology, LTC3107

O LTC3107 é um módulo termoelétrico embalado em um CI com uma pequena área de ocupação. Em vez de alimentar um sistema completo, este CI é projetado como um extensor de bateria. Este módulo coleta energia usando um gerador termoelétrico e fornece corrente adicional, reduzindo assim as demandas sobre uma bateria.

Um pequeno transformador elevador pode ser usado para gerenciar a entrada de energia de um gerador termoelétrico. Este dispositivo atua como um coletor de carga compacto e regulador de tensão em um único pacote. Este CI é classificado para tensões de bateria que variam de 2 a 4 V. Exemplos de aplicação típicos incluem células alcalinas, célula de moeda de lítio de 3 V ou uma bateria Li-SOCl2 de 3,6 V.

O LTC3107 é um conversor DC/DC elevador de tensão de entrada ultra-baixa e gerenciador de energia para estender a vida útil da bateria de sensores sem fio de baixa potência e outras aplicações de baixa potência que utilizam uma bateria primária. O LTC3107 gerencia de forma inteligente a energia coletada de fontes como TEGs (Geradores Termoelétricos) para atender à saída enquanto minimiza o esgotamento da bateria, maximizando assim a vida útil da bateria.

Encontrado na página 1 do datasheet do LTC3107

Existe um conjunto de dispositivos de coleta de energia que não foi mencionado aqui: fotovoltaicos. O número de componentes fotovoltaicos disponíveis para alimentar eletrônicos é tão grande que merece mais atenção do que pode ser fornecida aqui. Se você deseja complementar ou substituir completamente sua fonte de alimentação DC, usar uma célula fotovoltaica é uma ótima opção para alimentar seu próximo dispositivo eletrônico.

Você pode melhorar significativamente o tempo de atividade do seu próximo dispositivo eletrônico quando combina o módulo de coleta de energia certo com o regulador certo. Algumas placas de avaliação estão disponíveis para módulos de coleta de energia, facilitando a construção de um protótipo para o seu próximo produto. Se você está pensando em adicionar capacidades de coleta e armazenamento de energia ao seu próximo dispositivo eletrônico, você pode encontrar as opções certas com nossas recomendações de Peças Similares.

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