Современная электроника №4/2025

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 40 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 4 / 2025 Применение альтернативного электропитания Методы энергоснабжения с использо- ванием альтернативного электропита- ния (Технология Energy Harvesting) мож- но разделить на 2 категории (рис. 1): ● сиспользованием«свободной» энергии; ● беспроводное электропитание от внешних источников. Электропитание с использованием «свободной» энергии Под «свободной» энергией пони- мается энергия окружающей среды, порождаемая естественными источ- никами (Солнце, ветер, водная среда, термические источники) или возни- кающая как побочный продукт рабо- ты промышленных установок (станки, транспортные средства, линии ЛЭП, антенны базовых станций мобиль- ной связи). Сравнительная характе- ристика источников свободной энер- гии представлена на рис. 3. Как следует из рисунка, при при- менении фотоэлектрического преоб- разователя солнечной энергии с DC/ DC-конвертеромможно получить высо- коэффективныймощныйисточникпита- ния, генерирующийпорядка 100мВт/м 2 . Наименее эффективными являются источники электропитания на основе фоновых электромагнитных волн и маг- нитных полей, создаваемых промыш- ленными установками. Тем не менее появились публикации [3] об использованииWi-Fi роутеров для беспроводного электропитания различ- ных маломощных устройств – от тем- пературных сенсоров до камер неболь- шого разрешения. Отмечается, что при этом не происходит существенное сни- жение качества предоставляемой роу- тером связи. Удалённость преобразова- теля от роутера, достигнутая группой исследователей из Вашингтонского университета во главе с Джошуа Сми- том, составила 5 м. В качестве первичных преобразовате- лей (сборщиков энергии) наиболее рас- пространены фотоэлектрические пре- образователи, вибропреобразователи механической энергии в электричество и термоэлектрические модули (ТЭМы). В фотоэлектрических преобразовате- лях при воздействии светового излуче- ния на активный полупроводниковый слой высвобождаются электроны, соз- дающие электрический ток в замкну- той цепи, который может быть исполь- зован для питания внешней нагрузки. Функционирование вибропреобразо- вателей основано на том, что в резуль- тате деформации, вызванной вибраци- ей, на поверхности пьезоэлектрических пластин возникает электрический заряд, порождённый пьезоэффектом. Термоэлектрический полупроводни- ковый модуль построен на эффекте Зее- бека, заключающегося в появлении ЭДС в замкнутой цепи на спае из разнород- ных материалов, имеющих различные температуры. Выходное напряжение ТЭМа определяется разностью темпе- ратур его различных сторон и числом последовательно включённых полупро- водниковых ячеек. КПД современных солнечных батарей достигает 25–26%, КПД пьезопреобра- зователей вибрационных колебаний в электрический заряд не превышает 5%. Типичное значение КПД термоэлек- трических модулей составляет 3–5%. Перечисленные виды преобразовате- лей имеют небольшое выходное напря- жение, порядка 10...100 мВ. С учётом перечисленных факто- ров схемы электропитания на основе методов с использованием «свободной» энергии должны содержать повыша- ющий DC/DC-преобразователь и иони- стор, выполняющий функцию буферно- го элемента. По своим электрическим характеристикам он эквивалентен кон- денсатору, а выполняет роль компакт- ного аккумулятора. Ток саморазряда ионистора достаточно мал, порядка 20 мкА, а электрическая ёмкость велика (0,5–5 Ф), чтобы сохранять накопленный заряд в течение длительного времени, прежде чем отдать часть накопленной энергии в нагрузку. Рабочий темпера- турный диапазон ионистора может составлять –40…+60°C. Номенклатура микросхем-преоб- разователей (производитель – Linear Technology) для различных видов энер- гии представлена на рис. 4. Протоколы работы IoT строятся с учё- том того, что все приёмопередающие устройства беспроводной сети посто- янно находятся в «спящем» состоянии, «просыпаясь» на 1–2 секунды для обме- на данными с редкой периодичностью (один раз в час или реже). Мировыми лидерами в разработке и производстве преобразователей энер- гии окружающей среды в электриче- ство и микромодулей на их основе явля- ются компания EnOcean (Германия) и Linear Technology (США). В России крупнейшим производи- телем пьезопреобразователей и изде- лий на их основе является компания АО «НИИ «ЭЛПА» (г. Зеленоград). Российским лидером в производстве фотоэлектрических преобразователей является предприятие «Завод Энкор» – крупный производственный комплекс кремниевых пластин и фотоэлектриче- ских ячеек (г. Черняховск, Калининград- ская область). Подробная информация о физических принципах работы и видах их преобра- зователей содержится в работах [4, 5]. Методы электропитания на основе «свободной» энергии находят приме- нение при развёртывании традици- онного IoT в умных домах и офисах – микропотребляющие счётчики тепло- и водоресурсов, портативные метеостан- ции, датчики влажности и освещённо- сти в помещениях и др. При развёртывании промышленных IIoT-систем методы батарейного пита- ния или преобразования «свободной» энергии в электричество становятся неэффективными, поскольку приложе- ния промышленного Интернета вещей работают с бо́льшими объёмами дан- Рис. 3. Сравнительная характеристика источников свободной энергии