Senzor automatski skuplja magnetsku energiju

Istraživači sa američkog instituta tehnologije iz Massachusettsa MIT, razvili su senzor bez baterija s vlastitim napajanjem koji može prikupljati energiju iz svoje okoline.

Budući da ne zahtijeva bateriju koja se mora ponovno puniti ili zamijeniti i ne zahtijeva posebno ožičenje, takav se senzor može ugraditi na teško dostupno mjesto, poput unutarnjeg brodskog motora, gdje bi mogao automatski prikupljati podatke o potrošnji energije i radu stroja tijekom dugih vremenskih razdoblja.

Istraživači su napravili uređaj za mjerenje temperature koji skuplja energiju iz magnetskog polja generiranog na otvorenom. Mogao bi se jednostavno pričvrstiti senzor oko žice koja prenosi struju, možda žice koja napaja motor i on će automatski sakupljati i pohranjivati ​​energiju koju koristi za praćenje temperature motora.

"Ovo je ambijentalna energija za koju ne moram napraviti specifičnu, lemljenu vezu da bih je dobio. A to ovaj senzor čini vrlo jednostavnim za instalaciju," kaže Steve Leeb, profesor elektrotehnike i računalnih znanosti (EECS) i profesor strojarstva, član Istraživačkog laboratorija za elektroniku i viši autor studije.

Rad izlaže plan za ključne komponente uređaja koji može osjetiti i kontrolirati protok energije neprestano tijekom rada. Okvir svestranog dizajna nije ograničen na senzore koji skupljaju energiju magnetskog polja i može se primijeniti na one koji koriste druge izvore energije, poput vibracija ili sunčeve svjetlosti. Mogao bi se koristiti za izgradnju mreža senzora za tvornice, skladišta i komercijalne prostore.

"Pružili smo primjer senzora bez baterija koji čini nešto korisno i pokazali da je to praktično izvedivo rješenje. Sada će, nadamo se, i drugi koristiti naš okvir kako bi pokrenuli projektiranje vlastitih senzora," kaže glavni autor Daniel Monagle, diplomirani student EECS-a.

Istraživači su se morali suočiti s tri ključna izazova kako bi razvili učinkovit senzor za prikupljanje energije bez baterija.

Prvo, sustav mora imati mogućnost hladnog pokretanja, što znači da može pokrenuti svoju elektroniku bez početnog napona. To su postigli mrežom integriranih sklopova i tranzistora koji sustavu omogućuju pohranu energije dok ne dosegne određeni prag. Sustav će se uključiti tek kada pohrani dovoljno energije za puni rad.

Drugo, sustav mora učinkovito pohranjivati ​​i pretvarati energiju koju prikuplja, i to bez baterije. Iako su istraživači mogli uključiti i bateriju, to bi dodalo dodatnu složenost sustavu i moglo predstavljati opasnost od požara.

Kako bi se izbjegla uporaba baterije, unutarnja pohrana energije može uključivati ​​niz kondenzatora. Jednostavniji od baterije, kondenzator pohranjuje energiju u električnom polju između vodljivih ploča. Kondenzatori mogu biti izrađeni od raznih materijala, a njihove mogućnosti mogu se prilagoditi nizu radnih uvjeta, sigurnosnih zahtjeva i dostupnog prostora.

Tim je pažljivo dizajnirao kondenzatore tako da su dovoljno veliki da pohrane energiju potrebnu uređaju da se uključi i počne sakupljati energiju, ali dovoljno mali da faza punjenja ne traje predugo.

Osim toga, budući da senzoru mogu proći tjedni ili čak mjeseci prije nego što se uključi za mjerenje, osigurali su da kondenzatori mogu zadržati dovoljno energije čak i ako nešto iscuri tijekom vremena.

Konačno, razvili su niz kontrolnih algoritama koji dinamički mjere i proračunavaju energiju koju uređaj prikuplja, pohranjuje i koristi. Mikrokontroler, "mozak" sučelja za upravljanje energijom, neprestano provjerava koliko je energije pohranjeno i odlučuje treba li uključiti ili isključiti senzor, izvršiti mjerenje ili prebaciti sustav u viši stupanj prijenosa kako bi mogao prikupiti više energije za složenije potrebe.

Koristeći ovaj okvir dizajna, izgradili su strujni krug za upravljanje energijom za temperaturni senzor koji nije u prodaji. Uređaj sakuplja energiju magnetskog polja i koristi je za kontinuirano uzorkovanje podataka o temperaturi, koje šalje na sučelje pametnog telefona koristeći Bluetooth.

Istraživači su za dizajn uređaja koristili sklopove super male snage, ali su brzo otkrili da ti krugovi imaju stroga ograničenja u pogledu napona koji mogu izdržati prije nego što se pokvare. Previše energije može uzrokovati eksploziju uređaja.

Kako bi se to izbjeglo, njihov operativni sustav sakupljača energije u mikrokontroleru automatski prilagođava ili smanjuje prikupljanje ako količina pohranjene energije postane prevelika.

Također su otkrili da je komunikacija, prijenos podataka prikupljenih temperaturnim senzorom, operacija koja troši najviše energije.

U budućnosti, znanstvenici planiraju istražiti manje energetski intenzivne načine prijenosa podataka, poput korištenja optike ili akustike. Također žele rigoroznije modelirati i predvidjeti koliko bi energije moglo doći u sustav ili koliko bi energije moglo biti potrebno senzoru za mjerenje, kako bi uređaj mogao učinkovito prikupiti još više podataka.