采用能量收集器件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自供電傳感器的方法

當(dāng)前，電力電路正在采用一種全新的理念，即能量收集（energy Scavenging）。該技術(shù)能夠利用太陽能電池，壓電發(fā)電機(jī)、以及其他能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來收集能量，然后將其轉(zhuǎn)換為電能，并存儲(chǔ)在電容器中，以備使用，很多情況下，傳感器電路不需要持續(xù)運(yùn)行，因此，在傳感器停止工作期間，能量即可以得到補(bǔ)充，在此例中，太陽能電池及一個(gè)IF電容器用以為移動(dòng)探測(cè)器提供能量，該移動(dòng)探測(cè)器使用RF鏈路將發(fā)生的情況隨時(shí)發(fā)送到中央監(jiān)視器，這一類型的傳感器極為方便，無須線纜，也無需更換電池。

然而，在實(shí)現(xiàn)上述能量收集時(shí)，有些電路需要使用傳感器來監(jiān)控電容器的電壓，并通過發(fā)送信號(hào)的方式告知其他電路，它具備充足的電壓來啟動(dòng)和執(zhí)行一些處理操作，如果電容器電壓低于額定電壓，則電路停止工作，電容器中的電容和電壓用于表示電容器中可提供給外部電路的電能的數(shù)量，通常，能量收集傳感器無法為電路提供持續(xù)運(yùn)行所需的足夠電能，此例（見圖1）中，使用的是無定型硅光電池，這是一種低成本的方案，可以提供室內(nèi)及室外照明所需的電能，電池、電容器的尺寸以及電路運(yùn)行的頻率可以進(jìn)行調(diào)整，電壓檢測(cè)電路用于將負(fù)載電路與能量收集組件隔離開來，直到電路擁有足夠的電能來完成任務(wù)，太陽能組（D1和C1）是能量收集及存儲(chǔ)組件。

檢測(cè)電路必須具備較低的功耗，并且可以在較大的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，圖1中的電路使用LPV7215比較器，這種比較器具有適合監(jiān)測(cè)器功能的580nA工作電流。LPV721與閾值、磁滯變形電阻器R1、R2和R3、以及LM385－1.2電壓參考一同使用，用以控制FET的開關(guān)Q1，并打開移動(dòng)探測(cè)電路的電源，當(dāng)C1中的電壓大于4V時(shí)，F(xiàn)ET開關(guān)打開，當(dāng)C1中的電壓小于3V時(shí)，F(xiàn)ET的開關(guān)關(guān)閉。

移動(dòng)探測(cè)電路使用具有高增益帶通濾波器的熱釋電傳感器，放大器U5和U6為LPV511，具有典型的880nA工作電流，同時(shí)維持28KHz增益帶寬，完整的移動(dòng)探測(cè)電路僅需要4mA電流，圖2顯示了熱體在熱釋放電傳感器的在視野內(nèi)移動(dòng)時(shí)，放大器U6中的輸出信號(hào)（除窗形比較器和脈沖擴(kuò)展器信號(hào)以外）。

U6的輸出即窗形比較器的輸出，由兩個(gè)LPV7215比較器U2和U3、以及電阻器R6、R7和R8組成，閾值電壓被設(shè)置為開關(guān)電壓值1/3和2/3，在加上開關(guān)電壓。當(dāng)移動(dòng)探測(cè)器信號(hào)超出或低于閾值電壓值時(shí)，比較器的輸出開關(guān)斷開，比較器輸出通過二極管D2和D3進(jìn)入脈沖擴(kuò)展器，由LPV7215比較器，U4，以及C2、R9、R10、R11和R12組成的脈沖擴(kuò)展器生成0.5s的脈沖，該脈沖通過Q2打開RF發(fā)射器。RF發(fā)射器需要約25mA電流，而探測(cè)電路和檢測(cè)電路僅需要20uA電流。

計(jì)算電容器的電能存儲(chǔ)容量時(shí)，要求對(duì)電路中的電流，電容器的電壓變化，以及完成任務(wù)需要的時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，例如：發(fā)射器被激活后圖1中需要約25mA的電流。電流為10mA時(shí)，所需要選擇的太陽能電池可以提供大約5.5V的電壓，并且可以為C1充電，使其電壓達(dá)到4.9V左右，（太陽能電池的電壓將減去二極管D1中的電壓，即為壓降值，約為0.6V）。當(dāng)C1的電壓從4.9V下降到3.0V時(shí)，電路運(yùn)行的時(shí)間可以通過下式計(jì)算：

電容被消耗到關(guān)閉電壓3V之間，發(fā)射器將啟動(dòng)0.5S進(jìn)行發(fā)送，因此移動(dòng)探測(cè)器大概可以發(fā)送156次（76/0.5），而無需重新充電，在正常操作過程中，當(dāng)電燈可用時(shí)，太陽能電池不斷地為C1進(jìn)行充電。

關(guān)于電能存儲(chǔ)的另一個(gè)問題是在電容器不進(jìn)行重新充電的情況下，移動(dòng)探測(cè)器電路可以運(yùn)行多久，借助以上等式，假定電流為20uA，電容器電壓變化范圍為4.9－3.0V，來計(jì)算移動(dòng)探測(cè)器電路和電壓檢測(cè)電路的運(yùn)行時(shí)間：

最后一個(gè)問題是在電路何時(shí)進(jìn)行首次安裝，系統(tǒng)需要花費(fèi)一定時(shí)間為C1充電，使其電壓達(dá)到到電路運(yùn)行電壓，這一時(shí)間可以按照以下算法進(jìn)行估算：

等待太陽能電池為C1充電是一種方法，也可以采用另一種方法，即將C1連接到5V的電源上，并在安裝之前對(duì)其進(jìn)行充電。

這一實(shí)例顯示了如何使用低功耗的放大器和比較器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自供電傳感器的具體方法，此處的移動(dòng)探測(cè)器電路可以替換為許多其他類型的傳感器，如溫度計(jì)、濕度計(jì)和檢漏計(jì)等。