CZ2012981A3 - Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources - Google Patents
Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2012981A3 CZ2012981A3 CZ2012-981A CZ2012981A CZ2012981A3 CZ 2012981 A3 CZ2012981 A3 CZ 2012981A3 CZ 2012981 A CZ2012981 A CZ 2012981A CZ 2012981 A3 CZ2012981 A3 CZ 2012981A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- energy
- voltage
- power supply
- power
- capacitive block
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Vynález popisuje napájecí jednotku pracující na principu energy harvesting a způsob získávání a transformace energie z volných zdrojů. Napájecí jednotka je zařízení pracující s volnou energií volně přístupnou z okolního prostředí, akumuluje ji po malých dávkách a uchovává v superkapacitoru. Zařízení je tvořen mikroprocesorovou jednotkou (1), tranzistorem (2) MOSFET, transformátorem (3), konektorem (4) vstupního napětí nízké úrovně ze zdroje (9) volné energie, prvním kapacitním blokem (5) a druhým kapacitním blokem (7), jednocestným usměrňovačem (6) a lithiovou baterií (8). Energii ze zdroje (9) volné energie přivádíme na konektor (4) vstupního napětí nízké úrovně, které je filtrováno prvním kapacitním blokem (5) a poté transformováno ze stejnosměrného napětí na napětí pulzní tranzistorem (2) MOSFET. Pulzní tranzistor (2) MOSFET řídí mikroprocesorovou jednotkou (1), přičemž pulzní napětí je transformováno transformátorem (3) na napětí vyšší úrovně a usměrněno jednocestným usměrňovačem (6) a získaný elektrický náboj je ukládán ve výstupním druhém kapacitním bloku (7).The invention provides a power harvesting power unit and a method for obtaining and transforming energy from free sources. The power supply unit is a free energy device that is freely accessible from the environment, accumulates it in small amounts and stores it in a supercapacitor. The device comprises a microprocessor unit (1), a MOSFET transistor (2), a transformer (3), a low level input voltage connector (4) from a free energy source (9), a first capacitive block (5) and a second capacitive block (7), one-way rectifier (6) and lithium battery (8). The energy from the free energy source (9) is supplied to the low level input voltage connector (4), which is filtered by the first capacitive block (5) and then transformed from DC to voltage by the MOSFET pulse transistor (2). Pulse Transistor (2) The MOSFET controls the microprocessor unit (1), the pulse voltage being transformed by the transformer (3) to a higher level voltage and rectified by the one-way rectifier (6), and the obtained electric charge is stored in the output second capacitive block (7).
Description
Napájecí jednotka pracující na principu energy harvesting a způsob získávání a transformace energie z volných zdrojůPower supply unit working on the principle of energy harvesting and the method of obtaining and transforming energy from free sources
Oblast technikyField of technology
Zařízení spadá do oblasti speciálních spínaných zdrojů, které místo konvenčních vstupů využívají možnosti alternativních zdrojů.The device falls into the area of special switching power supplies, which use the possibilities of alternative power supplies instead of conventional inputs.
Dosavadní stav technikyState of the art
V současné době se rozrůstá počet výrobců, kteří vyrábějí podobná zařízení schopná využít okolní volnou energii a přeměnit ji na elektrický náboj, popsané např. v Salemo D., Ultralow Voltage Energy Harvester Uses Thermoelectric Generator for Battery-Free Wireless Sensors, LT Journal of Analog Innovation, October 2010, Volume 20, Number 3.Currently, a growing number of manufacturers are producing similar devices capable of utilizing the surrounding free energy and converting it into an electric charge, as described, for example, in Salemo D., Ultralow Voltage Energy Harvester Uses Thermoelectric Generator for Battery-Free Wireless Sensors, LT Journal of Analog Innovation, October 2010, Volume 20, Number 3.
Tyto zdroje jsou schopné přeměnit vstupní výkon v řádu do 10 mW. Vyšší vstupní výkony není dnes možné realizovat z důvodů miniaturizace power management čipů a tedy i spínacích prvků v nich obsažených. Vzhledem k těmto omezením jsou nabíjecí doby těchto zdrojů řádu stovek až tisíců sekund. Tato zařízení jsou schopná pracovat bez jakéhokoliv prvotního zdroje energie (baterie nebo akumulátoru). Dosažené účinnosti se pohybují v rozmezí 10 až 44 % v závislosti na vstupním napětí.These sources are able to convert input power in the order of 10 mW. Higher input powers cannot be realized today due to the miniaturization of power management chips and thus also the switching elements contained in them. Due to these limitations, the charging times of these sources are in the order of hundreds to thousands of seconds. These devices are able to operate without any primary power source (battery or accumulator). The achieved efficiencies range from 10 to 44% depending on the input voltage.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Pojmem energy harvesting se podle tohoto vynálezu rozumí získávání energie (malého množství) z alternativních zdrojů jako je teplo, vibrace, proudění vzduchu apod., její postupnou akumulaci, transformaci a dále její využití pro napájení dalších zařízení, typicky senzorů.According to the invention, the term energy harvesting means obtaining energy (small amounts) from alternative sources such as heat, vibration, air flow, etc., its gradual accumulation, transformation and further its use for powering other devices, typically sensors.
Pojem superkapacita podle tohoto vynálezu představuje kondenzátor s vyšší hodnotou kapacity.The term supercapacity according to the invention represents a capacitor with a higher capacity value.
Pojem zdroj volné energie podle tohoto vynálezu představuje zdroj energie získaný volně z okolního prostředí, jedná se např. o teplo, proudění vzduchu, intenzity slunečního záření apod. Zdroje volné energie jsou standardními typy zdrojů schopných generovat elektrický výkon zThe term free energy source according to the invention represents an energy source obtained freely from the surrounding environment, such as heat, air flow, solar radiation intensity, etc. Free energy sources are standard types of sources capable of generating electrical power from
-2- . .. . ;-2-. ... ;
ř jednoho z typů okolních volných energií. Příkladem mohou být termočlánky, nebo lépe Peltierovy články zapojené inverzně. Tím je myšleno, že jsou plochy standardních Peltierových článků na jiném tepelném potenciálů, čímž se na jeho svorkách generuje napětí úměrné tomuto tepelnému gradientu. Tyto články jsou složeny z velkého množství polovodičových prvků zapojených sério-paralelně. Povrch článků je keramický s celkovou tloušťkou okolo 5 mm. Články jsou dostupné v mnoha variantách a zdroj složený z takovýchto článků je v cenové relaci řádů stovek korun. Dalšími zdroji, které se používají pro získávání volné energie jsou zdroje vibrační, přeměňující energii vibrací na elektrický výkon (piezoelektrický jev). Dále solární panely (napětí článků se pohybuje okolo 0,3 až 0,5 V při proudech 50 až 500 mA), popř. zdroje schopné přeměnit elektromagnetickou energii v blízkosti zářivkových těles na elektrický výkon (principiálně vhodně dimenzované antény).ř of one of the types of surrounding free energies. Examples are thermocouples, or better Peltier cells connected inversely. By this is meant that the areas of standard Peltier cells are at different thermal potentials, thereby generating a voltage proportional to this thermal gradient at its terminals. These cells are composed of a large number of semiconductor elements connected in series-parallel. The surface of the cells is ceramic with a total thickness of about 5 mm. Articles are available in many variants and the source composed of such articles is in the price range of hundreds of crowns. Other sources that are used to obtain free energy are vibrational sources, which convert vibration energy into electrical power (piezoelectric effect). Furthermore, solar panels (cell voltage is around 0.3 to 0.5 V at currents of 50 to 500 mA), or sources capable of converting electromagnetic energy in the vicinity of fluorescent lamps into electrical power (in principle suitably sized antennas).
Pojem okolní volná energie podle tohoto vynálezu představuje energii z okolního prostředí, tedy např. odpadní teplo z různých procesů, intenzitu slunečního záření, elektromagnetickou energii vyzařovanou například zářivkovými osvětlovacími tělesy, vibrační energii vznikající jako nežádoucí produkt u točivých strojů apod.The term ambient free energy according to the invention represents energy from the environment, i.e. waste heat from various processes, solar radiation intensity, electromagnetic energy emitted by fluorescent lighting fixtures, vibrational energy generated as an undesirable product in rotating machines, etc.
Podstatou vynálezu je zařízení, které pracuje s volnou energií volně přístupnou z okolního prostředí, akumuluje ji po malých dávkách a uchovává ji ve velkokapacitním kondenzátoru, superkapacitoru.The essence of the invention is a device that works with free energy freely accessible from the environment, accumulates it in small batches and stores it in a large-capacity capacitor, supercapacitor.
Vstupní parametry jsou v řádech desetin voltu a desetin ampérů. Výhodou oproti komerčně dodávaným obvodům je srovnatelná nebo vyšší účinnost obvodu a schopnost zpracovat podstatně vyšší vstupní příkon, v řádech desítek až stovek mW, díky použití spínacího tranzistoru MOSFET a mikroprocesorové řídicí a vyhodnocovací jednotky. Mikroprocesorová jednotka v tomto případě představuje power management unit, tedy jednotku, která zajišťuje regulaci výstupního napětí, generování logického signálu POWER-GOOD a generování budicích impulsů pro výkonový spínací prvek tranzistor MOSFET. Signál POWER GOOD je logický signál generovaný mikroprocesorovou jednotkou, který oznamuje připojeným koncovým zařízením, že je k dispozici dostatek energie pro jejich provoz. Tato připojená zařízení jsou většinou v režimu SLEEP, tedy ve stavu, kdy odebírají jen zanedbatelnou energii, ale nekonají užitečnou práci. Pro probuzení z tohoto stavu je potřeba přivést logický signál na jejich určité vstupy, který je probudí. V případě, že má napájecí jednotka dostatečnou vstupní energii, je schopna energeticky zásobit sebe a přebytky ukládat do velkokapacitního kondenzátoru (superkapacity). V případě, že je kondenzátor plně nabit, přechází mikroprocesor do režimu se sníženou spotřebou (sleep mode) a odebírá tak pouze ·The input parameters are in the order of tenths of a volt and tenths of an ampere. The advantage over commercially available circuits is comparable or higher circuit efficiency and the ability to process significantly higher input power, in the order of tens to hundreds of mW, thanks to the use of a MOSFET switching transistor and microprocessor control and evaluation unit. In this case, the microprocessor unit represents the power management unit, ie the unit that ensures the regulation of the output voltage, the generation of the logic signal POWER-GOOD and the generation of excitation pulses for the power switching element transistor MOSFET. The POWER GOOD signal is a logic signal generated by the microprocessor unit that notifies the connected terminals that enough power is available to operate them. These connected devices are usually in SLEEP mode, ie in a state where they consume only negligible energy, but do not do useful work. To wake up from this state, it is necessary to bring a logic signal to their specific inputs, which will wake them up. If the power supply unit has sufficient input energy, it is able to supply itself with energy and store the excess in a large-capacity capacitor (supercapacity). If the capacitor is fully charged, the microprocessor goes into sleep mode and takes only ·
zanedbatelné množství energie (řádově do 10 μΑ). Z tohoto stavu se periodicky probouzí a měří výstupní napětí na superkapacitě a dle množství akumulované energie řídí spínací prvek MOSFET tranzistor. Výstupní energie ve formě náboje je ukládána do výstupníhiý kapacitního bloku II. Tento blok kondenzátorů slouží primárně k filtraci výstupního napětí a k akumulaci získané energie. Je složen ze tří typů kondenzátorů. Keramický kondenzátor s malou kapacitou (10 uF) má extrémně nízký sériový odpor a je proto vhodný k zachytávání napěťových špiček, které vznikají z podstaty funkce DC/DC měniče. Elektrolytický kondenzátor slouží k vyrovnávání prodouvých špiček při napájení koncových zařízení a jeho kapacita je v řádech stovek pF. Proudové špičky mohou být dosti vysoké, například při napájení GSM zařízení je krátkodobý odběr ze zdroje energie i 2 A. Tyto špičky jsou v délce trvání v řádech ms a proto je nutné dobře dimenzovat výstupní elektrolytický kondenzátor. Třetím typem kondenzátorů je již výše zmiňovaný superkapacitor. Jedná se o elektrolytický kondenzátor s malým pracovním napětím, většinou na úrovni 5,5 V. Jeho kapacita je ale velmi vysoká, v řádech faradů. Tento typ kondenzátorů zastává funkci akumulátoru energie. Na rozdíl od klasického akumulátoru však není vnitřní energie vázaná v chemických vazbách, ale ve formě elektrického náboje mezi elektrodami kondenzátorů. Podobně jako u výstupního napětí je třeba filtrovat i napětí vstupní. Toto napětí je v řádech stovek mV, proto nejsou nároky na kondenzatory příliš kritické. Vstupriýkapacitní blokuje tvořen pouze dvěma typy kondenzátorů, a to elektrolytickým a keramickým. Keramický kondenzátor s velmi malým senovým odporem zastava funkci tvrdého zdroje napětí, Jkdežtof větší elektrolytický kondenzátor slouží jako dočasná zásobárna energie. Proudové špičky vznikající na primární straně transformátoru jsou způsobeny spínáním vstupního napětí na výkonovém prvku. Vstupní i výstupní kapacitní bloky navíc účinně potlačují rušení, které vzniká při provozu tohoto typu DC/DC měniče.negligible amount of energy (up to 10 μΑ). From this state, the output voltage at the supercapacity is waking up and measured periodically and the switching element MOSFET transistor controls according to the amount of accumulated energy. The output energy in the form of a charge is stored in the output capacitive block II. This block of capacitors serves primarily to filter the output voltage and to accumulate the obtained energy. It consists of three types of capacitors. The small capacitor (10 uF) ceramic capacitor has an extremely low series resistance and is therefore suitable for capturing voltage peaks that arise from the nature of the DC / DC converter function. The electrolytic capacitor is used to compensate for leakage peaks when supplying terminal equipment and its capacity is in the order of hundreds of pF. The current peaks can be quite high, for example when the GSM device is powered, the short-term consumption from the power supply is 2 A. These peaks are in the order of ms and therefore it is necessary to dimension the output electrolytic capacitor well. The third type of capacitors is the above-mentioned supercapacitor. It is an electrolytic capacitor with a low operating voltage, mostly at the level of 5.5 V. However, its capacity is very high, in the order of farads. This type of capacitor acts as an energy accumulator. However, unlike a conventional accumulator, the internal energy is not bound in chemical bonds, but in the form of an electric charge between the electrodes of capacitors. As with the output voltage, the input voltage must be filtered. This voltage is in the order of hundreds of mV, so the demands on capacitors are not very critical. The input capacitive block consists of only two types of capacitors, namely electrolytic and ceramic. A ceramic capacitor with very low hay resistance stops the function of a hard voltage source, while a larger electrolytic capacitor serves as a temporary storage of energy. Current peaks arising on the primary side of the transformer are caused by switching the input voltage on the power element. In addition, the input and output capacitive blocks effectively suppress the interference that occurs during operation of this type of DC / DC converter.
Napájecí jednotka podle vynálezu se skládá z devíti základních prvků: mikroprocesorové jednotky, MOSFET tranzistoru jakožto výkonového spínacího prvku, transformátoru, konektoru vstupního napětí nízké úrovně^ kapacitních bloků J-a- IK, jednocestného usměrňovače a baterie.The power supply unit according to the invention consists of nine basic elements: a microprocessor unit, a MOSFET transistor as a power switching element, a transformer, a low-level input voltage connector of J-a-IK capacitive blocks, a one-way rectifier and a battery.
Mikroprocesorová jednotka je zde ve funkci řídicího prvku, který vyhodnocuje a řídí připojené periferie. Integrovaný analogově - digitální (A/D) převodník převádí analogovou hodnotu výstupního napětí na jeho digitální obraz. Ten pak slouží jako hlavní veličina pro další řídicí logiku.The microprocessor unit here functions as a control element which evaluates and controls the connected peripherals. The integrated analog-to-digital (A / D) converter converts the analog value of the output voltage to its digital image. This then serves as the main variable for the next control logic.
Výkonový spínací prvek - MOSFET tranzistor spíná vstupní napětí nízké úrovně a vytváří tak pulsní napětí vhodné pro transformaci. Tento prvek je klíčový, neboť standardní bipolámí typy tranzistorů nejsou schopny tak malé napětí sepnout. To je způsobeno jejich konstrukcí, kdy je na svorkách bipolámího tranzistoru potřeba takové napětí, které překročí prahovou úroveň dvou polovodičových přechodů (N- P, P- N). Toto prahové napětí se běžné pohybuje na hodnotách okolo 0,8 až 1,2 V. Naproti tomu unipolámí typy tranzistorů, kam patří i zde použitý typ, mají pouze jeden polovodičový kanál a je tedy možné spínat i velmi nízká napětí řádů desítek mV. Unipolámí tranzistory (MOSFET) jsou navíc řízené polem, ne jako u bipolámích typů, které jsou řízené proudem do jejich báze. Řízení pomocí napětí je energeticky účinnější a kladně přispívá k vlastní spotřebě celého zdroje. Zrůzných typů MOSFET tranzistorů se pro účely tohoto vynálezu jeví jako nejvhodnější typ N-MOSFET. Transformátor s feritovým jádrem transformuje vstupní napětí nízké úrovně na výstupní napětí vysoké úrovně. Transformátor je definován jeho převodovým poměrem, což je zjednodušeně hodnota, která vypovídá, kolikrát bude vstupní napětí po transformaci větší. Transformátor samotný se skládá z feritového jádra, primárního vinutí (jednotky závitů) a sekundárního vinutí (desítky závitů). Vzhledem k velmi nízkému přenášenému výkonu může mít jádro velmi malý činný průřez. Spínací frekvence je ovšem omezena na své minimální hranici hodnotou 10 kHz. Pod touto hranicí silně klesá účinnost přenosu energie a zvyšují se tím ztráty v jádře.Power switching element - MOSFET transistor switches low voltage input voltage and thus creates a pulse voltage suitable for transformation. This element is crucial because standard bipolar transistor types are not able to switch such low voltages. This is due to their design, when a voltage is required at the terminals of the bipolar transistor that exceeds the threshold level of two semiconductor junctions (N-P, P-N). This threshold voltage normally ranges from around 0.8 to 1.2 V. In contrast, unipolar types of transistors, including the type used here, have only one semiconductor channel and it is therefore possible to switch even very low voltages of the order of tens of mV. In addition, unipolar transistors (MOSFETs) are field-driven, not like bipolar types, which are current-driven to their base. Voltage control is more energy efficient and contributes positively to the entire power consumption. Various types of MOSFET transistors appear to be the most suitable type of N-MOSFET for the purposes of this invention. A ferrite core transformer transforms a low level input voltage to a high level output voltage. The transformer is defined by its gear ratio, which is simply a value that indicates how many times the input voltage will be greater after the transformation. The transformer itself consists of a ferrite core, a primary winding (thread units) and a secondary winding (tens of threads). Due to the very low transmitted power, the core may have a very small active cross section. However, the switching frequency is limited to its minimum limit of 10 kHz. Below this limit, the efficiency of energy transfer decreases sharply, thus increasing losses in the core.
Konektor vstupního napětí nízké úrovně ze zdroje volné energie slouží pro připojení jednoho ze zdrojů energie. Jedná se o šroubovací terminály se zvětšenou styčnou plochou kvůli dobrému přenosu proudových špiček.The low level input voltage connector from the free power supply is used to connect one of the power supplies. These are screw terminals with an increased contact area due to the good transmission of current peaks.
í ^P^itní blok k slouží k filtraci vstupního napětí a jako tvrdý napájecí zdroj napětí.The active block k serves to filter the input voltage and as a hard power supply.
Jednocestný usměrňovač slouží k usměrnění střídavého napětí, které je přítomné na sekundární straně transformátoru. Usměňovač je tvořen jednou diodou typu Schottky, zapojenou v propustném směru. Dioda typu schottky je zde nutná z důvodu vysoké pracovní frekvence DC/DC meniče. Standardní typ by vykazoval příliš veliké ztráty. Tento typ diod se v těchto měničích standardně používá. Schottky dioda má jedinou výraznější nevýhodu a to, že propouští určitý minimální proud i v závěrném směru. S touto její vlastností se počítá a pro účely tohoto vynálezu byl zvolen typ se sníženým závěrným proudem.The one-way rectifier is used to rectify the AC voltage that is present on the secondary side of the transformer. The rectifier consists of one Schottky diode connected in the forward direction. A schottky diode is required here due to the high operating frequency of the DC / DC converter. The standard type would show too many losses. This type of diode is used as standard in these drives. The only significant disadvantage of a Schottky diode is that it allows a certain minimum current to pass in the reverse direction. This property is taken into account and a type with a reduced closing current has been chosen for the purposes of the present invention.
. . Kapacitní blok Π slouží k filtraci výstupního napětí a jako tvrdý zdroj napětí pro připojená zařízení, která jsou tímto blokem napájena.. . The capacitive block Π serves to filter the output voltage and as a hard voltage source for the connected devices that are supplied by this block.
Lithiová baterie je v tomto vynálezu použita z důvodu zálohy napájení při nepřítomnosti dostatečné energie ve výstupním kapacitním bloku II a napájí mikroprocesorovou jednotku.The lithium battery is used in the present invention to back up power in the absence of sufficient power in the output capacitive block II and to power the microprocessor unit.
-5í í í *-5í í í *
Výhodou vynálezu oproti komerčně dostupným řešením je srovnatelná nebo vyšší účinnost a možnost zpracovávat podstatně vyšší vstupní příkon, řádů desítek až stovek mW. Další nespornou výhodou je použitý výkonový spínací prvek, tranzistor typu MOSFET, který má velmi nízký odpor v sepnutém stavu (Rds-on), řádově jednotky mQ a spínací proud v řádu desítek až stovek ampér. Použitím tohoto spínacího prvku lze transformovat podstatně vyšší proud než v komerčně dostupných řešeních a výrazně tak snížit dobu nabíjení superkapacity. Napájecí jednotka pracující na principu energy harvesting je vhodná pro napájení různých typů senzorů, zvláště bezdrátových. Moderní typy senzorů jsou již energeticky pokročilé, čímž se rozumí možnost na přechod do režimu spánku (sleep mode). V tomto stavu mají zanedbatelnou spotřebu, která prodlužuje životnost při napájení z baterií. Snímače přecházejí z módu kontinuálního měření na mód přerušovaný. Tím se sice sníží množství měření za jednotku času, ale zásadně se sníží spotřeba napájecí energie.The advantage of the invention over commercially available solutions is comparable or higher efficiency and the possibility to process significantly higher input power, in the order of tens to hundreds of mW. Another indisputable advantage is the power switching element used, a MOSFET transistor, which has a very low resistance in the closed state (Rds-on), of the order of mQ and a switching current in the order of tens to hundreds of amperes. By using this switching element, it is possible to transform a significantly higher current than in commercially available solutions and thus significantly reduce the charging capacity of the supercapacity. The power supply unit working on the principle of energy harvesting is suitable for powering various types of sensors, especially wireless. Modern types of sensors are already energetically advanced, which means the possibility of going into sleep mode. In this state, they have negligible power consumption, which prolongs battery life. The sensors switch from continuous measurement mode to intermittent mode. This reduces the number of measurements per unit time, but significantly reduces the power consumption.
Obecně se jedná o zdroj energie, který transformuje odpadní tepelnou energii na energii elektrickou, schopnou napájet elektronická zařízení.In general, it is an energy source that transforms waste thermal energy into electrical energy capable of powering electronic devices.
Nevýhodou vynálezu oproti komerčnímu řešení je nutnost záložního zdroje energie, tedy malé lithiové baterie, která má v tomto případě průměrnou životnost delší než 3 roky. Další nevýhodou jsou relativně větší rozměry napájecí jednotky oproti komerčním produktům.The disadvantage of the invention compared to the commercial solution is the need for a backup power source, i.e. a small lithium battery, which in this case has an average life of more than 3 years. Another disadvantage is the relatively larger dimensions of the power supply unit compared to commercial products.
Přehled obrázků na výkresechOverview of figures in the drawings
Vynález je blíže osvětlen s pomocí výkresů, kde na obrázku 1 je znázorněno blokové schéma napájecí jednotky jako takové a na obrázku 2 je znázorněno elektrické schéma napájecí jednotky s vyznačením příslušných bloků.The invention is further elucidated with the aid of the drawings, in which Figure 1 shows a block diagram of the power supply unit as such and Figure 2 shows an electrical diagram of the power supply unit with the indication of the respective blocks.
Příklad*provedení vynálezuExample * embodiment of the invention
Příklad 1Example 1
Napájecí jednotka K) podle obrázku 1, kde základní součástí napájecí jednotky 10 je mikroprocesorová jednotka 1 Atmel ATMEGA 8A. Ta ovládá výkonový tranzistor 2 MOSFET. Vstupní napětí z konektoru 4 vstupního napětí nízké úrovně je spínáno polovodičovým spínačem přes transformátor 3 s definovaným převodovým poměrem a je transformováno na sekundární stranu transformátoru 3. Zvýšené napětí je poté usměrněno jednocestným usměrňovačem 6 a filtrováno druhým kapacitním blokem 7. Druhý kapacitníThe power supply unit K) according to figure 1, where the basic component of the power supply unit 10 is the microprocessor unit 1 Atmel ATMEGA 8A. It controls the power transistor 2 MOSFET. The input voltage from the low level input voltage connector 4 is switched by a semiconductor switch via a transformer 3 with a defined gear ratio and is transformed to the secondary side of the transformer 3. The increased voltage is then rectified by a one-way rectifier 6 and filtered by a second capacitive block 7.
I S > » blok 7 je tvořen trojicí kondenzátorů. První kondenzátor je keramický s velmi nízkým vnitřním odporem (RESR), který účinně akumuluje krátké špičky dodávané měničem. Druhý kondenzátor z dvojice je elektrolytický, s nízkým vnitřním odporem a malým svodovým proudem o kapacitě řádů stovek mikrofaradů. Tento kondenzátor slouží jako standardní filtrační kapacita. Třetí kondenzátor je tzv. superkapacitor s kapacitou 0,44 F, který je vhodný pro akumulaci větších energií a zastupuje tak akumulátor. Vstupní nízké napětí je také filtrováno prvním kapacitním blokem 5 a slouží jako tvrdý zdroj napětí pro transformaci. Tento blok je tvořen pouze dvojicí kondenzátorů - keramickým (jednotky mikrofaradů) a elektrolytickým (stovky mikrofaradů). V případě, že je k dispozici dostatek energie ve výstupním bloku kondenzátorů z druhého kapacitního bloku 7, mikroprocesorová jednotka 1 aktivuje logický signál POWER GOOD a signalizuje tak připojeným zařízením, že mají možnost odebírat energii. Mikroprocesorová jednotka f je v případě přítomnosti vstupního napětí napájena právě z tohoto zdroje 9 volné energie prostřednictvím konektoru 4.I S> »block 7 consists of three capacitors. The first capacitor is a very low internal resistance (RESR) ceramic, which efficiently accumulates the short peaks supplied by the drive. The second capacitor of the pair is electrolytic, with low internal resistance and small leakage current with a capacity of hundreds of microfarads. This capacitor serves as a standard filtration capacity. The third capacitor is the so-called supercapacitor with a capacity of 0.44 F, which is suitable for the accumulation of higher energies and thus represents the accumulator. The input low voltage is also filtered by the first capacitive block 5 and serves as a hard voltage source for the transformation. This block consists of only a pair of capacitors - ceramic (microfarad units) and electrolytic (hundreds of microfarads). In case there is enough energy available in the output block of the capacitors from the second capacitive block 7, the microprocessor unit 1 activates the logic signal POWER GOOD and thus signals to the connected devices that they have the possibility to take energy. In the presence of the input voltage, the microprocessor unit f is supplied from this free energy source 9 via the connector 4.
Příklad 2Example 2
Napájecí jednotka JO podle obrázku 1, kde základní součástí napájecí jednotky 10 je mikroprocesorová jednotka 1, Atmel ATMEGA 8A. Ta ovládá výkonový tranzistor 2 MOSFET. Vstupní napětí z konektoru 4 vstupního napětí nízké úrovně je spínáno polovodičovým spínačem přes transformátor 3 s definovaným převodovým poměrem a je transformováno na sekundami stranu transformátoru T Zvýšené napětí je poté usměrněno jednocestným usměrňovačem 6 a filtrováno druhým kapacitním blokem 7. Druhý kapacitní blok 7 je tvořen trojicí kondenzátorů. První kondenzátor je keramický s velmi nízkým vnitřním odporem (RESR), který účinně akumuluje krátké špičky dodávané měničem. Druhý kondenzátor z dvojice je elektrolytický, s nízkým vnitřním odporem a malým svodovým proudem o kapacitě řádu stovek mikrofaradů. Tento kondenzátor slouží jako standardní filtrační kapacita. Třetí kondenzátor je tzv. superkapacitor s kapacitou 0,44 F, který je vhodný pro akumulaci větších energií a zastupuje tak akumulátor. Vstupní nízké napětí je také filtrováno prvním kapacitním blokem 5 a slouží jako tvrdý zdroj napětí pro transformaci. Tento blok je tvořen pouze dvojicí kondenzátorů - keramickým (jednotky mikrofaradů) a elektrolytickým (stovky mikrofaradů). Mikroprocesorová jednotka 1 je v případě nedostupnosti volné okolní energie napájen z lithiové baterie 8. Mikroprocesorová jednotka J_ je v době, kdy není dostupná volná okolní energie, v režimu SLEEP, odebírá pouze zanedbatelný proud, a proto lithiová baterie 8 vydrží napájet zařízení po dlouhou dobuThe power supply unit JO according to Figure 1, where the basic component of the power supply unit 10 is a microprocessor unit 1, Atmel ATMEGA 8A. It controls the power transistor 2 MOSFET. The input voltage from the low level input voltage connector 4 is switched by a semiconductor switch via a transformer 3 with a defined gear ratio and is transformed to the seconds side of the transformer. capacitors. The first capacitor is a very low internal resistance (RESR) ceramic, which efficiently accumulates the short peaks supplied by the drive. The second capacitor of the pair is electrolytic, with low internal resistance and small leakage current with a capacity of hundreds of microfarads. This capacitor serves as a standard filtration capacity. The third capacitor is the so-called supercapacitor with a capacity of 0.44 F, which is suitable for the accumulation of higher energies and thus represents the accumulator. The input low voltage is also filtered by the first capacitive block 5 and serves as a hard voltage source for the transformation. This block consists of only a pair of capacitors - ceramic (microfarad units) and electrolytic (hundreds of microfarads). The microprocessor unit 1 is powered by a lithium battery 8 when free ambient energy is unavailable.
(několika let). V případě, že není k dispozici dostatek energie ve výstupním bloku kondenzátorů z druhého kapacitního bloku 7, mikroprocesorová jednotka 1 deaktivuje logický signál POWER GOOD a signalizuje tak připojeným zařízením, že se mají přepnout do stavu se sníženou spotřebou a vyčkávat, až bude v druhém kapacitním bloku 7 opět dostatek energie. Mikroprocesorová jednotka 1, je v tomto případě napájena z lithiové baterie 8.(several years). If there is not enough power available in the capacitor output block from the second capacitive block 7, the microprocessor unit 1 deactivates the POWER GOOD logic signal, signaling the connected devices to switch to a low-power state and wait until it is in the second capacitive block. block 7 enough energy again. The microprocessor unit 1 is in this case powered by a lithium battery 8.
Příklad 3Example 3
Napájecí jednotka U) podle obrázku 1, kde základní součástí napájecí jednotky 10 je mikroprocesorová jednotka 1 Atmel ATMEGA 8A. Ta ovládá výkonový tranzistor 2 MOSFET. Vstupní napětí z konektoru 4 vstupního napětí nízké úrovně je spínáno polovodičovým spínačem přes transformátor 3 s definovaným převodovým poměrem a je transformováno na sekundami stranu transformátoru 3. Zvýšené napětí je poté usměrněno jednocestným usměrňovačem 6 a filtrováno druhým kapacitním blokem 7. Druhý kapacitní blok 7 je tvořen čtveřicí kondenzátorů. První dva kondenzátory jdou keramické s velmi nízkým vnitřním odporem (RESR), který účinně akumuluje krátké špičky dodávané měničem. Druhé dva kondenzátory jsou elektrolytické, s nízkým vnitřním odporem a malým svodovým proudem o kapacitě 0,44 F, vhodný pro akumulaci větších energií a zastupuje tak akumulátor. Vstupní nízké napětí je také filtrováno prvním kapacitním blokem 5 a slouží jako tvrdý zdroj napětí pro transformaci. Tento blok je tvořen pouze trojicí kondenzátorů - dvěma keramickými (4,7 //F) a elektrolytickým (470 pF). Mikroprocesor je v případě nedostupnosti volné okolní energie napájen z lithiové baterie 8. Tato baterie 8 je zapojena sériově přes oddělovací diodu Dl (BAT54). Díky tomu je možné bez přerušení dodávky energie přejít z napájení z volné okolní energie na záložní zdroj ve formě lithiové baterie 8. V případě, že je k dispozici dostatek energie ve výstupním bloku kondenzátorů z druhého kapacitního bloku 7, mikroprocesorová jednotka 1 aktivuje logický signál POWER GOOD a signalizuje tak připojeným zařízením, že mají možnost odebírat naakumulovanou energii.The power supply unit U) according to figure 1, where the basic component of the power supply unit 10 is the microprocessor unit 1 Atmel ATMEGA 8A. It controls the power transistor 2 MOSFET. The input voltage from the low level input voltage connector 4 is switched by a semiconductor switch via a transformer 3 with a defined gear ratio and is transformed to the seconds side of the transformer 3. The increased voltage is then rectified by a one-way rectifier 6 and filtered by a second capacitive block 7. four capacitors. The first two capacitors go ceramic with very low internal resistance (RESR), which efficiently accumulates the short peaks supplied by the drive. The other two capacitors are electrolytic, with low internal resistance and a small leakage current with a capacity of 0.44 F, suitable for the accumulation of higher energies and thus represents a battery. The input low voltage is also filtered by the first capacitive block 5 and serves as a hard voltage source for the transformation. This block consists of only three capacitors - two ceramic (4.7 // F) and electrolytic (470 pF). In case of unavailability of free ambient energy, the microprocessor is powered by a lithium battery 8. This battery 8 is connected in series via an isolating diode D1 (BAT54). As a result, it is possible to switch from a free ambient power supply to a backup source in the form of a lithium battery 8 without interrupting the power supply. GOOD and signals to the connected devices that they have the possibility to take the accumulated energy.
Příklad 4Example 4
Napájecí jednotka W podle obrázku 2, kde základní součástí napájecí jednotky 10 je jednočipová mikroprocesorová jednotka 1 zapojená bez externího oscilátoru a využívající pro svůj běh vnitřní zdroj hodinového taktu. Tranzistorem 2 MOSFET je typ NTMFS4833N, schopný sepnout proud o velikosti 191 A. Transformátor 3 je ručně vinutý typ na jádře El sThe power supply unit W according to Figure 2, where the basic component of the power supply unit 10 is a single-chip microprocessor unit 1 connected without an external oscillator and using an internal clock clock source for its operation. Transistor 2 MOSFET is type NTMFS4833N, capable of switching a current of 191 A. Transformer 3 is a hand-wound type on an El core with
průřezem 2 cm . Konektor vstupního napětí nízké úrovně 4 ze zdroje volné energie je klasický šroubovací terminál s rozteěí 5 mm. První kapacitní blok 5 je složen ze tří kondenzátorů. Dva jsou s keramickým dielektrikem, jeden s elektrolytickým dielektrikem. Jednocestný usměrňovač 6 je zastoupen diodou typu schottky D2 s označením 1N5819 v provedení SMD. Druhý kapacitní blok 7 je složen ze dvou typů kondenzátorů. Dva jsou keramické (4,7 μι) a dva elektrolytické s kapacitou 0,22 F dimenzované na napětí 5,5 V. Lithiová baterie 8 je spřažena se dvěma keramickými kondenzátory Cla C2 kvůli kompenzaci proudových špiček při spínání tranzistoru 2 MOSFET. Z mikroprocesorové jednotky 1 je vyveden sériový komunikační port UART, který dovoluje komunikaci s napájecí jednotkou 10 s možností jejího nastavení (pracovní frekvence, hodnota stabilizovaného výstupního napětí apod.).cross section 2 cm. The low level 4 input voltage connector from the free power supply is a standard screw terminal with a spacing of 5 mm. The first capacitive block 5 consists of three capacitors. Two are with a ceramic dielectric, one with an electrolytic dielectric. The one-way rectifier 6 is represented by a schottky type diode D2 with the designation 1N5819 in the SMD design. The second capacitive block 7 consists of two types of capacitors. Two are ceramic (4.7 μι) and two electrolytic with a capacity of 0.22 F rated at 5.5 V. Lithium battery 8 is coupled to two ceramic capacitors Cla C2 to compensate for current spikes when switching transistor 2 MOSFET. A serial communication port UART is led out of the microprocessor unit 1, which allows communication with the power supply unit 10 with the possibility of its setting (operating frequency, value of stabilized output voltage, etc.).
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Vynález, napájecí jednotku pracující na principu energy harvesting je možné využít v oblasti senzoriky, v oblastech bez dostupnosti síťové napájecí energie a v místech s obtížnou dostupností pro údržbu.The invention, a power unit operating on the principle of energy harvesting, can be used in the field of sensors, in areas without the availability of mains power supply and in places with difficult access for maintenance.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2012-981A CZ2012981A3 (en) | 2012-12-31 | 2012-12-31 | Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2012-981A CZ2012981A3 (en) | 2012-12-31 | 2012-12-31 | Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ304431B6 CZ304431B6 (en) | 2014-04-30 |
CZ2012981A3 true CZ2012981A3 (en) | 2014-04-30 |
Family
ID=50549505
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2012-981A CZ2012981A3 (en) | 2012-12-31 | 2012-12-31 | Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ2012981A3 (en) |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7081693B2 (en) * | 2002-03-07 | 2006-07-25 | Microstrain, Inc. | Energy harvesting for wireless sensor operation and data transmission |
US7138911B2 (en) * | 2004-08-04 | 2006-11-21 | Michelin Recherche Et Technique S.A. | Power conversion from piezoelectric source with multi-stage storage |
US7506586B1 (en) * | 2005-08-04 | 2009-03-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Munitions energy system |
TWI338990B (en) * | 2006-01-05 | 2011-03-11 | Tpl Inc | Method and apparatus for energy harvesting and/or generation, storage, and delivery |
US20100060231A1 (en) * | 2006-01-05 | 2010-03-11 | Tpl, Inc. | Method and Apparatus for Energy Harvesting and/or Generation, Storage, and Delivery |
AU2010258863B2 (en) * | 2009-06-09 | 2014-11-27 | Andre Poskatcheev Willis | Power harvesting circuit and method for serially coupled DC power sources |
JP5355715B2 (en) * | 2009-12-19 | 2013-11-27 | サイエンスパーク株式会社 | Power extraction circuit and power supply system |
GB201000346D0 (en) * | 2010-01-11 | 2010-02-24 | Jogia Paresh | Headphones |
US8704494B2 (en) * | 2010-03-30 | 2014-04-22 | Maxim Integrated Products, Inc. | Circuit topology for pulsed power energy harvesting |
TWI532292B (en) * | 2010-06-08 | 2016-05-01 | 安德烈P 威利斯 | Apparatus including current balancing circuitry and method for maximizing power from multiple dc power sources |
EP2469693B1 (en) * | 2010-12-23 | 2017-10-18 | Nxp B.V. | Power management device and method for harvesting discontinuous power source |
WO2012092209A2 (en) * | 2010-12-29 | 2012-07-05 | Proteus Biomedical, Inc. | Wirelesss energy sources for integrated circuits |
US20120250456A1 (en) * | 2011-03-28 | 2012-10-04 | Pgs Americas, Inc. | Systems and methods for energy harvesting in a geophysical survey streamer |
-
2012
- 2012-12-31 CZ CZ2012-981A patent/CZ2012981A3/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ304431B6 (en) | 2014-04-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4137528B2 (en) | Power conversion circuit | |
ITVA20100042A1 (en) | BY-PASS DIODE OR SWITCH MADE WITH A LOW RESISTANCE CONDUCTING MOSFET AND ITS SELF-POWERED CONTROL CIRCUIT | |
CN105009436B (en) | Switching power unit | |
Carlson et al. | 20mV input boost converter for thermoelectric energy harvesting | |
Alghisi et al. | Single-and multi-source battery-less power management circuits for piezoelectric energy harvesting systems | |
CN104428984A (en) | Switching power source device and semiconductor device | |
RU2584822C2 (en) | Circuit adapted to supply voltage to electronic device and use thereof | |
US10116167B2 (en) | Inductive power transmission device | |
Noh et al. | 17.6 A reconfigurable DC-DC converter for maximum TEG energy harvesting in a battery-powered wireless sensor node | |
CN103384072B (en) | The electronic equipment of circuit is controlled with charging and discharging | |
Lee et al. | A rectifier-reusing bias-flip energy harvesting interface circuit with adaptively reconfigurable SC converter for wind-driven triboelectric nanogenerator | |
US10355192B2 (en) | Autonomous thermoelectric energy harvesting platform for biomedical sensors | |
CN104143905A (en) | Quick start control circuit of converter | |
CN110445418B (en) | Multisource cascade three-channel micro-energy collection power generation platform based on thermoelectric power taking | |
CZ2012981A3 (en) | Feeding unit operating on the energy harvesting principle and method of obtaining and transformation of energy from free sources | |
CN108879919B (en) | Piezoelectric electromagnetic composite energy harvester energy management circuit for supplying power to wireless sensor | |
KR20140096948A (en) | Single Power Stage Power Factor Correction Circuit | |
TWI422114B (en) | A self powered feed forward charging circuit and design methodology for the protection of electrical energy storage devices | |
CZ25824U1 (en) | Feeding unit operating on the energy harvesting principle | |
Hua et al. | 3.5–0.5 V input, 1.0 V output multi-mode power transformer for a supercapacitor power source with a peak efficiency of 70.4% | |
KR101022136B1 (en) | Resonant piezo-powered boost converter circuit for harvesting piezoelectric energy | |
Wu et al. | System design on thermoelectic energy harvesting from body heat | |
US9966792B2 (en) | Uninterruptible power supply for SMPS loads | |
CN215419658U (en) | Charging and discharging circuit, device and earphone equipment | |
Resali et al. | Comparison of energy harvesting power management techniques and application |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20221231 |