שיפורים בתקשורת 4G/5G, ביחד עם שיפורים ביעילות האנרגיה של מכשירים חכמים, יהפכו את האינטרנט של הדברים (IoT) בקרוב מאוד לדבר שבשגרה. באמצעות אינדיקציה, IDC חוזה שההוצאות השנתיות על טכנולוגיה של IoT ברחבי העולם יגיעו ל-1.2 טריליון דולר ב-2022 (מייצג שיעור גידול שנתי מורכב של 13.6% בין התקופה הנוכחית לתקופה העתידית). יתר על כן, MarketsandMarkets Research חוזה את קיומם של 17.2 מיליארד צמתים ושערים של IoT בתפעול עד לשנת 2023. עם זאת, כדי ש-IoT יהפוך לנפוץ באמת, הצמתים יצטרכו להיות מסוגלים לתפקד באופן רציף בכל המיקומים הפוטנציאליים – בפרט אלה שאינם נגישים. הגדרות אלה עשויות להפוך את התחזוקה השגרתית לבלתי מעשית (או לפחות ליקרה מאוד), לא כל שכן תיקונים לשעת חירום. בנוסף, הצורך לבצע החלפות של סוללות עבור אלפי צמתים, וכוח העבודה הדרוש לתמיכה בפעילויות אלה, יהוו מכשול גדול בפני התרבות ה-IoT.
לעשות מה שניתן עם מה שיש
קציר אנרגיה נחקר כעת במידה נרחבת כשיטה בת הקיימא הטובה ביותר המאפשרת הפעלת יישומי IoT בעלי צריכת מתח נמוכה במיוחד. היא מנצלת מקורות אנרגיה אפשריים בצמתים עצמם ומסביבם. ככל הנראה מקור האנרגיה המוכר ביותר בקציר אנרגיה הוא אנרגיה סולרית, שבה תאים פוטו-אלקטריים (PV) משמשים להמרת אנרגיה עבור אור מגיע לחשמל. מקור אנרגיה אפשרי נוסף כולל פליטות תדרי רדיו (RF), פיזואלקטריות ותרמואלקטריות. עם זאת, כמויות החשמל שמספקים מקורות אלה הן נמוכות מאוד ונוטות להיות משתנות, משום שהן תלויות לגמרי בגורמים סביבתיים.
קיימים הישגים רבים בתחום של טכניקות לייצור PV כדי להפוך אותן ליעילות ומשתלמות יותר (כגון הצגת תאים שניתנים להדפסה על חומרים גמישים כדי להתאים לפני השטח של התקן ה-IoT הקשור). אף על פי כן, התעשייה עדיין ניצבת בפני קושי ברור מאוד – במיוחד בשל העובדה שצמתים יכולים להפיק אנרגיה ממקור זה רק למשך חצי מהיום.
היכולת לקצור אנרגיית RF מהסביבה – ממיליארדי משדרי רדיו, טלפונים סלולריים, תחנות שידור טלוויזיה/רדיו וכדומה, או לחלופין, ממקורות ייעודיים (כגון העברת מתח דרך אנטנות מיישרות זרם) – יכולה לאפשר טעינה אלחוטית של התקנים מבוססי-סוללה בעלי צריכת מתח נמוכה. בינתיים קיים הסיכוי שקוצרים תרמואלקטריים ישמשו לקחת אנרגיה ממנועים, מנועי מכוניות, נורות תאורה ואפילו מגוף האדם. ניתן גם להפיק אנרגיה מהרטט של פריטי מכונות כבדות, סגירת דלתות או פתחי אוורור של מיזוג אוויר בבניין משרדים באמצעות גישה פיזואלקטרית.
קביעת הטכנולוגיה המתאימה לקציר אנרגיה תלויה בסביבה שבה ימוקמו צמתי ה-IoT. זה מקשה על עיצוב קוצר כללי. במקרים מסוימים, פתרון יעיל יהיה שילוב של שתי טכנולוגיות הקציר – כגון אנרגיה סולרית עם RF, או אנרגיה תרמית עם RF. שיקול נוסף הוא אם השימוש בסוללות נטענות קטנות, בעלות טביעת רגל קטנה או גמישות ומודפסות יהיה המתאים ביותר, בשילוב עם סופר קבלים כאשר צריך לקצור או לפרוק פרץ חשמל, או הפוך, לוותר לגמרי על סוללות ולהשתמש אך ורק בסופר קבלים.
סוללות וסופר קבלים
התא הראשוני בעל טביעת הרגל הקטנה של 3 וולט מסוג Renata CP042350 הוא בעל פרופיל נמוך במיוחד וניתן לכיפוף במידה רבה (למשך יותר מ-1000 מחזורים עד לקוטר של 50 מ”מ). בנוסף, הוא בעל פריקה עצמית נמוכה, 1% בלבד לשנה. לתא יש משקל ממוצע של 0.86 גרם והוא נטול כספית, עם חיי מדף של עד 10 שנים (כשנשמר בטמפרטורה של 23 °C). הוא מבוסס על כימיית Li/MnO2 עם קיבולת נומינלית של 25mAh ועמידות פנימית מסוג <30Ω בטווח טמפרטורת תפעול של -40 °C עד 60 °C.
הרכיבים בסדרת DMH של Murata של סופר קבלים דקים במיוחד, הנמצאים במארזים בגודל של 20 מ”מ x 20 מ”מ x 0.4 מ”מ, הם בעלי קיבוליות של 35mF בטווח טמפרטורת תפעול של -40 °C עד 85 °C. יש להם מתח מדורג של 4.5 וולט והתנגדות אלקטרו-סטטית (ESR) של 300mΩ. הודות לגורם הצורה המלוטש שלהן, יחידות ה-DMH משתלבות בחלק התחתון של סוללת כפתור או בכל שטח זמין אחר בצומת.
ניהול מתח חכם
לא משנה מהם המקור או שיטת האחסון, יש צורך בהגדלת החשמל שנקצר תוך שמירה על המתח המפוזר נמוך ככל שניתן. ניתן להשיג זאת באמצעות ציון הסוג החדש של מעגלים משולבים לניהול מתח (PMIC) שצצים כעת.
איור LTC3588-2 :1 – יישום אופייני
ה- LTC3588-2 מהתקנים אנלוגיים משלב מיישר זרם גשר בעל גל מלא ואובדן נמוך ביחד עם ממיר מוריד בעל יעילות גבוהה. שילוב זה מצייד מהנדסים בפתרון קציר אנרגיה שלם הממוטב עבור חילוץ אנרגיה ממקורות שונים בעלי צורות שונות – לרבות אנרגיה פיזואלקטרית, אלקטרו-מכנית ותאים סולריים, ביחד עם מתמרים מגנטיים. זרם רגיעה בעל קלט נמוך במיוחד של 830nA מתקבל במצב נעילה בעלת מתח חשמלי נמוך (UVLO), עם ערך סף עולה של 16 וולט המאפשר חילוץ אנרגיה יעיל. ערך הסף של UVLO מאפשר גם הכפלה של זרם קלט לפלט דרך הווסת המוריד הסינכרוני בעל היעילות הגבוהה. המוריד הוא בעל מצב שינה המצמצם את זרמי הרגיעה הן של הקלט והן של הפלט בזמן הוויסות. ארבעה ערכי מתח של פלט, 3.45 וולט, 4.1 וולט, 4.5 וולט ו-5.0 וולט, ניתנים לבחירה על ידי פין, עם עד 100mA של זרם פלט רציף – מה שהופך את ההתקן למתאים עבור סופר קבלים, וכן עבור סוללות Li-ion ו- LiFePO4 . הגנה מפני מתח יתר מסופקת על ידי מיצד להגנה על קלט (משיכה של עד 25mA במתח של 20 וולט).
איור .Cypress S6AE101A :2
מעגלים משולבים לניהול מתח לקציר אנרגיה מדגם S6AE101A של Cypress מיועדים לשימוש בכל חיישן אלחוטי זעיר המופעל באמצעות אנרגיה סולרית שבו נעשה שימוש בתאי PV שלא עולים בגודלם על סמ”ר. למעגלים משולבים לניהול מתח אלה, המכסים טווח מתח קלט של 2 וולט עד 5.5 וולט, יש מתח פלט שניתן להגדרה בין 1.1 וולט ל-5.2 וולט. מעגלים משולבים לניהול מתח אלה משתמשים בבקר מתג מובנה לאחסון המתח שנוצר על-ידי התא הסולרי המתלווה אליהם בקבל פלט. הגנה מפני מתח יתר מובנית בפיני הקלט של התא הסולרי. PMIC זה, הזמין במארזי SON-10 בגודל 3 מ”מ x 3 מ”מ, הוא בעל מתח הפעלה של 1.2µW וזרם צריכה (מינימלי) של 250nA. דבר זה מגדיל את המתח הזמין עבור פונקציות החישה, העיבוד והתקשורת של יישומי יעד – כגון משואות BLE וחיישנים אלחוטיים ללא סוללות עבור אוטומציה של בניינים/מפעלים וחקלאות חכמה.
איור 3: מעגל הפעלה פשוט של .MAX17710
התקני המטען והמגן לקציר אנרגיה מדגם MAX17710 מתוצרת Maxim Integrated כוללים את כל פונקציות ניהול המתח עבור חילוץ אנרגיה מהסביבה ממקורות בעלי רמות פלט של 1µW עד 100mW. הם משלבים מטען ליתיום עם 1nA של סוללת IQ במצב המתנה, 625nA של טעינה ליניארית ושווה ערך ל-1µW של טעינה מוגברת. מעגלים משולבים אלה הנכללים במארזי UTDFN בגודל 3 מ”מ x 3 מ”מ x 0.5 מ”מ, תומכים בערכי מתח של מפל מתח נמוך של 1.8 וולט, 2.3 וולט או 3.3 וולט. מעגל הווסת המגביר מאפשר טעינה ממקור נמוך עד לערך של 0.75 וולט (אופייני).
מארק פטריק, Mouser Electronics
