Современная электроника №4/2025

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 41 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 4 / 2025 ных, требуют бо́льшего потребления и высокой надёжности. По этим причинам приложения IIoT требуют новых способов доставки элек- тропитания. Одним из решений может быть беспроводное электроснабжение от специальных внешних источников. Беспроводное электропитание от внешних источников Промышленный Интернет вещей объединяет устройства в отраслях с высокими рисками, таких как нефте- газовая отрасль, производство элек- троэнергии, химическая промышлен- ность и здравоохранение, где отказы систем или незапланированные про- стои, вызванные (в частности) сбоем энергоснабжения, могут привести к аварийным ситуациям. Беспроводное питание может предо- ставить новые возможности для надёж- ного бесперебойного электропитания IIoT-устройств, создавая тем самым воз- можности для инноваций. Основные требования, предъявля- емые к методам беспроводного элек- тропитания и системам на их основе: ● бесперебойность подачи электро­ энергии; ● электромагнитная совместимость с промышленным оборудованием; ● возможность функционирования во взрывоопасных средах. Системы беспроводного электропи- тания предполагают использование буферных накопителей – ионисторов. Пример IIoT-устройства с питанием от вибрационного харвестера показан на рис. 5. Здесь применено два 5-фарадных ионистора (элементы голубого цвета). Можно выделить 3 способа энергообе- спечения, потенциально применимых в системах беспроводного электропи- тания: с использованием источников ИК-излучения, магнитоиндуктивные системы ближнего действия и радиоиз- лучающие системы дальнего действия. ИК-системы Беспроводной источник питания большой дальности, использующий инфракрасное излучение, например ИК-прожектор, может быть идеальным источником питания для беспроводной доставки энергии в промышленных условиях. Он может доставлять значи- тельные объёмы энергии при соблю- дении всех стандартов безопасности потребителей. Он может работать в сложных условиях, не мешаяWi-Fi, LTE, NB-IoT или другим протоколам переда- чи данных. Использование ИК-прожекторов для систем беспроводного питания наиболее привлекательно, поскольку, во-первых, разработчиками накоплен большой опыт проектирования и налад- ки мощных ИК-систем в устройствах видеонаблюдения и периметральной охранной сигнализации, а во-вторых, достаточно отработана недорогая эле- ментная база фотоэлектрических пре- образователей в ИК-диапазоне. Для иллюстрации возможностей дан- ного метода проведём его энергетиче- скую оценку. В качестве источника излучения возьмём серийный ИК-прожектор DВ56- 850 со следующими характеристиками: угол излучения Ɵ = 15 градусов, мощ- ность Р 0 = 14 Вт, центральная длина вол- ны 850 нм. Габаритные размеры про- жектора составляют 83×110×61 мм. Для приёма будемиспользовать типо- вой промышленныйфотоэлектрический преобразователь размерами 70×55 мм со спектральной чувствительностью на этой длине волны S = 0,92 А/Вт, распо- ложенный на расстоянии L = 10 м. ИК-прожектор излучает в конус с пло- ским углом при вершине 15 градусов и высотой 10 м. При распространении в прямой види- мости поток мощности в плоскости рас- положения фотоприёмника определя- ется выражением Е = Р 0 /(π× L ×tg Ɵ/2) 2 . (1) Ток I , генерируемый преобразовате- лем, описывается формулой I = E × S ф× S , (2) где S ф – площадь активной пластины фотоэлектрического преобразователя. Подставляя в выражения (1) и (2) дан- ные, приведённые выше, получим: I = 11,5 мА при площади засветки на дистанции 10 м 4,4 м 2 . Суммарное напряжение на выходе фотоэлектрического преобразователя составляет 5 В, и, следовательно, мощ- ность, доставляемая к устройству, соста- вит порядка 57 мВт. Данный уровень мощности при нали- чии ионистора может обеспечить дли- тельное функционирование абсо- лютного большинства беспроводных сенсорных узлов. К недостаткам метода с использова- нием ИК-прожектора следует отнести функционирование в условиях пря- мой видимости и необходимость защи- ты персонала от прямого воздействия ИК-излучения. Магнитоиндуктивные системы ближнего действия Системы беспроводного питания дан- ного типа подразделяются на 2 группы: использующие индуктивную связь и магниторезонансную связь [6]. Индуктивная связь основана на явле- нии электромагнитной индукции, когда первичная катушка передатчика энер- гии генерирует переменное магнитное поле, которое проходит через вторичную катушку приёмника энергии. Рабочая частота индуктивной связи находится в диапазоне нескольких килогерц. Для повышения эффективности зарядки вторичная катушка долж- Рис. 4. Номенклатура микросхем-преобразователей (производитель Linear Technology) для различных видов энергии Рис. 5. Пример расположения сенсорных IIoT-устройств Беспроводной сенсорный узел Промышленный вибра­ ционный акселерометр Вибрационный энерго­ собиратель, питающий беспроводной сенсорный узел