用于远程传感器的能量收集器

文章摘要：用于远程传感器的能量收集器 美国国家半导体公司 Walter Bacharowski 当前，电力电路正在采用一种全新的理念，即能量收集（energy scavenging）。该技术能够利用太阳能电池、压电发电机、以及其他能量转换设备来收集能量，然后将其转换为电能，并存储在电容器中，以备使用。很多情况下，传感器电路不需要持续运行，因此，在传感器停止工作期间，能量即可以得到补充。在此例中，太阳能电池及一个1F电容器用以为移动探测器提供能量，该移动探测器使用RF链路将发生的情况随时发

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用于远程传感器的能量收集器 美国国家半导体公司 Walter Bacharowski

当前，电力电路正在采用一种全新的理念，即能量收集（energy scavenging）。该技术能够利用太阳能电池、压电发电机、以及其他能量转换设备来收集能量，然后将其转换为电能，并存储在电容器中，以备使用。很多情况下，传感器电路不需要持续运行，因此，在传感器停止工作期间，能量即可以得到补充。在此例中，太阳能电池及一个1F电容器用以为移动探测器提供能量，该移动探测器使用RF链路将发生的情况随时发送到中央监视器。这一类型的传感器极为方便，无需线缆，也无需更换电池。

一些电路需要使用传感器来监控电容器的电压，并通过发送信号的方式告知其他电路，它具备充足的电压来启动和执行一些处理操作。如果电容器电压低于额定电压，则电路停止工作，电容器中的电容和电压用于表示电容器中可提供给外部电路的电能的数量。通常，能量收集传感器无法为电路提供持续运行所需的足够电能。此例（见图1）中使用的是无定型硅光电池，这是一种低成本的方案，可以提供室内及室外照明所需的电能。电池、电容器的尺寸以及电路运行的频率可以进行调整。电压监测电路用于将负载电路与能量收集组件隔离开来，直到电路拥有足够的电能来完成任务。太阳能电池组（D1和C1）是能量收集及存储组件。

检测电路必须具备较低的功耗，并且可以在较大的电压范围内运行。图1中的电路使用LPV7215比较器，这种比较器具有适合监测器功能的580nA工作电流。LPV7215与阈值、磁滞变形电阻器R1、R2和R3、以及LM385－1.2电压参考一同使用，用以控制FET的开关Q1，并打开移动探测电路的电源。当C1中的电压大于4V时，FET开关打开；当C1中的电压小于3V时，FET的开关关闭。

移动探测电路使用具有高增益带通滤波器的热释电传感器。放大器U5和U6为LPV511，具有典型的880nA工作电流，同时维持27kHz增益带宽。完整的移动探测电路仅需要4mA电流。图2显示了热体在热释电传感器的视野内移动时，放大器U6中的输出信号（除窗形比较器和脉冲扩展器信号以外）。

U6的输出即窗形比较器的输出，由两个LPV7215比较器U2和U3、以及电阻器R6、R7和R8组成。阈值电压被设置为开关电压值的1/3和2/3，在加上开关电压。当移动探测器信号超出或低于阈值电压值时，比较器的输出开关断开。比较器输出通过二极管D2和D3进入脉冲扩展器。由LPV7215比较器、U4，以及C2，R9、R10、R11和R12组成的脉冲扩展器生成约0.5s的脉冲，该脉冲通过Q2打开RF发射器。RF发射器需要约25mA电流，而探测和监测电路仅需要20μA电流。
计算电容器的电能存储容量时，要求对电路中的电流，电容器的电压变化，以及完成任务需要的时间进行评估。例如：发射器被激活后，图1中需要约25mA的电流。电流为10mA时，所选择的太阳能电池可以提供大约5.5V的电压，并且可以为C1充电，使其电压达到4.9V左右（太阳能电池的电压减去二极管D1中的电压，即为压降值，约为0.6V）。当C1的电压从4.9V下降到3.0V时，电路运行的时间可以通过下式计算：


在电容被消耗到关闭电压3V之间，发射器将启动0.5s进行发送，因此移动探测器大概可以发送156次（76/0.5），而无需重新充电。在正常操作过程中，当电灯可用时，太阳能电池不断地为C1进行充电。

关于电能存储的另一个问题是在电容器不进行重新充电的情况下，移动探测器电路可以运行多久。借助以上等式，假定电流为20μA，电容器电压变化范围为4.9V－3.0V，来计算移动探测器电路和电压检测电路的运行时间：

最后一个问题是电路何时进行首次安装。系统需要花费一定时间为C1充电，使其电压达到电路运行电压。这一时间可以按照以下算法进行估算：

等待太阳能电池为C1充电是一种方法，也可以采用另一种方法，即将C1连接到5V的电源上，并在安装之前对其进行充电。

这一实例显示了如何使用低功耗的放大器和比较器实现远程无线自供电传感器。此处的移动探测器电路可以替换为许多其他类型的传感器，如温度计、湿度计和检漏计。