به سمت سنسورهای کوچک با انرژی خورشیدی
به سمت سنسورهای کوچک با انرژی خورشیدی -مدار جدید بسیار کم توان راندمان برداشت انرژی را تا بیش از 80 درصد بهبود می بخشد.
آخرین اخبار در صنعت فناوری اطلاعات مربوط به “اینترنت اشیا” است – این ایده که وسایل نقلیه، لوازم خانگی، سازه های مهندسی عمران، تجهیزات تولیدی و حتی دام ها حسگرهای تعبیه شده خود را دارند که اطلاعات را مستقیماً به سرورهای شبکه گزارش می دهند و به آنها کمک می کند. نگهداری و هماهنگی وظایف
با این حال، درک این بینایی به حسگرهای بسیار کم مصرفی نیاز دارد که می توانند ماه ها بدون تغییر باتری کار کنند – یا حتی بهتر از آن، بتوانند انرژی را از محیط برای شارژ مجدد استخراج کنند.
هفته گذشته، در سمپوزیوم فناوری و مدارهای VLSI، محققان MIT یک تراشه مبدل قدرت جدید را ارائه کردند که می تواند بیش از 80 درصد انرژی چکه شده را حتی در سطوح بسیار کم توان مشخصه سلول های خورشیدی کوچک، برداشت کند. مبدل‌های کم‌توان قبلی که از همین رویکرد استفاده می‌کردند، تنها 40 یا 50 درصد راندمان داشتند.
علاوه بر این، تراشه محققین در حالی که مسئولیت‌های بیشتری را بر عهده می‌گیرد، به آن بهبودهای کارایی دست می‌یابد.
در جایی که اکثر پیشینیان بسیار کم مصرف آن می‌توانستند از سلول خورشیدی برای شارژ باتری یا به طور مستقیم یک دستگاه استفاده کنند، این تراشه جدید می‌تواند هر دو را انجام دهد و می‌تواند دستگاه را مستقیماً از باتری تغذیه کند.
همه این عملیات ها همچنین یک سلف واحد مشترک دارند – جزء الکتریکی اصلی تراشه – که باعث صرفه جویی در فضای برد مدار می شود اما پیچیدگی مدار را حتی بیشتر می کند. با این وجود، مصرف انرژی تراشه کم است.
دینا ردا الداماک، دانشجوی فارغ التحصیل MIT در رشته مهندسی برق و علوم کامپیوتر و اولین نویسنده مقاله جدید، می گوید: «ما هنوز می خواهیم قابلیت شارژ باتری را داشته باشیم، و همچنان می خواهیم یک ولتاژ خروجی تنظیم شده ارائه کنیم.
ما باید ورودی را تنظیم کنیم تا حداکثر توان را استخراج کنیم، و ما واقعاً می خواهیم همه این وظایف را با اشتراک سلف انجام دهیم و ببینیم کدام حالت عملیاتی بهترین است.
و ما می خواهیم این کار را بدون به خطر انداختن عملکرد، در سطوح توان ورودی بسیار محدود – 10 نانووات تا 1 میکرووات – برای اینترنت اشیا انجام دهیم.
نمونه اولیه تراشه از طریق برنامه شاتل دانشگاهی شرکت تولید نیمه هادی تایوان ساخته شد.
به سمت سنسورهای کوچک با انرژی خورشیدی
فراز و نشیب
وظیفه اصلی مدار تنظیم ولتاژ بین سلول خورشیدی، باتری و دستگاهی است که سلول انرژی می دهد.
به عنوان مثال، اگر باتری برای مدت طولانی با ولتاژ بسیار زیاد یا خیلی کم کار کند، واکنش‌دهنده‌های شیمیایی آن خراب می‌شوند و توانایی نگهداری شارژ را از دست می‌دهند.
الداماک و مشاورش، آنانتا چاندراکاسان، پروفسور جوزف اف و نانسی پی کیتلی در مهندسی برق، برای کنترل جریان در تراشه خود، از یک سلف استفاده می کنند که سیم پیچی شده به سیم پیچ است.
هنگامی که یک جریان از یک سلف عبور می کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که به نوبه خود در برابر هرگونه تغییر در جریان مقاومت می کند.
پرتاب سوئیچ ها در مسیر سلف باعث می شود که به طور متناوب شارژ و دشارژ شود، به طوری که جریانی که از آن عبور می کند به طور مداوم افزایش می یابد و سپس به صفر می رسد.
نگه داشتن درب روی جریان، کارایی مدار را بهبود می بخشد، زیرا سرعت اتلاف انرژی به عنوان گرما با مجذور جریان متناسب است.
با این حال، هنگامی که جریان به صفر رسید، کلیدهای موجود در مسیر سلف باید فوراً پرتاب شوند.
در غیر این صورت، جریان می تواند از مدار در جهت اشتباه عبور کند، که کارایی آن را به شدت کاهش می دهد.
عارضه این است که سرعت افزایش و کاهش جریان به ولتاژ تولید شده توسط سلول خورشیدی بستگی دارد که بسیار متغیر است. بنابراین زمان پرتاب سوئیچ نیز باید متفاوت باشد.
ساعت شنی برقی
الداماک و چاندراکاسان برای کنترل زمان بندی سوئیچ ها از یک جزء الکتریکی به نام خازن استفاده می کنند که می تواند بار الکتریکی را ذخیره کند.
هر چه جریان بیشتر باشد، خازن با سرعت بیشتری پر می شود. با پر شدن مدار، شارژ سلف متوقف می شود.
با این حال، سرعت کاهش جریان به ولتاژ خروجی بستگی دارد که تنظیم آن هدف تراشه است. از آنجایی که این ولتاژ ثابت است، تغییر در زمان بندی باید از تغییر در ظرفیت ایجاد شود.
بنابراین الداماک و چاندراکاسان تراشه خود را به بانکی از خازن های با اندازه های مختلف مجهز می کنند.
با کاهش جریان، زیر مجموعه‌ای از خازن‌ها را شارژ می‌کند که انتخاب آنها با ولتاژ سلول خورشیدی تعیین می‌شود. یک بار دیگر، هنگامی که خازن پر می شود، کلیدهای موجود در مسیر سلف برگردانده می شوند.
برت میوا که یک پروژه توسعه تبدیل انرژی را رهبری می‌کند، می‌گوید: «در این فضای فناوری، معمولاً با کاهش قدرت، بازدهی پایین‌تر وجود دارد، زیرا مقدار ثابتی انرژی وجود دارد که با انجام کار مصرف می‌شود.»
سازنده تراشه Maxim Integrated. «اگر فقط با مقدار کمی وارد می‌شوید، به سختی می‌توانید بیشتر آن را دریافت کنید، زیرا درصد بیشتری از دست می‌دهید. طراحی [الدماک] به طور غیرمعمولی برای سطح پایین قدرت او کارآمد است.»
او می افزاید: «یکی از چیزهایی که در مورد آن قابل توجه است این است که واقعاً یک سیستم نسبتاً کامل است. این واقعاً یک تراشه کامل سیستم روی یک برای مدیریت انرژی است.
و این آن را کمی پیچیده‌تر، کمی بزرگ‌تر و کمی جامع‌تر از برخی از طرح‌های دیگری که ممکن است در ادبیات گزارش شده است، می‌کند.
بنابراین دستیابی او به این مشخصات با عملکرد بالا در یک سیستم بسیار پیچیده‌تر نیز قابل توجه است.»
