Como o Energy Harvesting com Microcontroladores Ultra-Low-Power pode eliminar baterias

Energy Harvesting

A eficiência é crucial na natureza. Maximizar o gasto de recursos adicionais usando o máximo disso possível melhora o desempenho, pode minimizar custos e reduzir o desperdício. Energy harvesting (coleta de energia) fornece um método para usar a energia ambiente para alimentar um dispositivo elétrico/eletrônico. Para dispositivos que contêm bateria, a coleta de energia pode estender a vida útil da bateria ou substituir totalmente a contribuição de energia da bateria.

Os Microcontroladores de ultrabaixa potência (ULP) são uma escolha lógica para Energy harvesting. Esses dispositivos existem em tecnologia vestível, sensores sem fio e outras aplicações de ponta nas quais é essencial estender a vida útil da bateria. É útil revisar como a Energy harvesting funciona na prática para entender o valor de como a Energy harvesting permite microcontroladores ULP.

Como Energy Harvesting Funciona

Em princípio, energy harvesting é um conceito simples. O problema a resolver é que as fontes primárias de energia (baterias, combustível, rede elétrica) são finitas. Além disso, converter essa fonte de energia em energia utilizável não é 100% eficiente, embora haja energia ambiente perpétua disponível para captura. Essa realidade é a razão pela qual as turbinas eólicas são uma fonte de energia renovável em grande escala. As turbinas recebem energia potencial do vento, girando as pás em torno de um rotor que engata um gerador que produz energia elétrica. Outras fontes de energia ambiental em grande escala incluem solar, ondas oceânicas e calor geotérmico.

Tecnologia em menor escala, como dispositivos vestíveis e sensores sem fio, pode coletar energia de radiação cinética, térmica ou eletromagnética ambiental. Cada uma dessas formas usa um mecanismo diferente para converter a energia da fonte em energia utilizável. A utilidade e praticidade de cada fonte é uma consideração importante, pois a aplicação pode impedir o tamanho e dimensão do equipamento necessário para a conversão de energia.

A radiação térmica é útil para aplicações de sensores sem fio, pois o design e a colocação do sensor aproveitam as duas formas de fonte de energia. Em veículos, sensores próximos à estrada podem captar o calor radiante do asfalto. Em contraste, outros podem aproveitar a energia do movimento de locais de alta vibração, como perto das rodas ou componentes do motor. Para microcontroladores de potência ultrabaixa, a energia cinética recuperada do movimento de um usuário humano é a forma mais prática de energia para conversão atualmente.

Oportunida para microcontroladores Ultra-Low Power

Como a principal aplicação dos microcontroladores ULP é a tecnologia vestível, o processamento desses dados de borda com consumo mínimo de energia do sistema é crítico. Energy harvesting reduz a demanda de energia da bateria do wearable tech, que contém uma quantidade finita de energia e requer recarga periódica ou substituição após seu esgotamento. As baterias também apresentam um desafio no descarte, pois os materiais de composição das baterias não são facilmente recicláveis. Os coletores de energia microcontroladores ULP capturam energia cinética (mecânica) por meio de geradores piezoelétricos, eletromagnéticos ou triboelétricos.

Piezoelétrico

O termo “piezoelétrico” se origina do grego e se traduz como compressão ou pressão. A força cinética comprime o material piezoelétrico, gerando um campo elétrico. Os engenheiros selecionam o material com base na carga mecânica prevista e na densidade do campo elétrico e equilibram seu potencial de contribuição de energia com as propriedades do material, que deformam o material na presença de um campo elétrico. Esses fatores concorrentes permitem que os projetistas otimizem quanto um coletor de energia pode contribuir para aumentar a energia da bateria primária repetidamente. Algumas estimativas mostram que, em média, o movimento cinético pode adicionar 10mW à fonte de alimentação primária para MCUs ULP.

Radiação Eletromagnética

Outra tecnologia de energy harvesting para MCUs em pequena escala é a radiação eletromagnética. Rádio, infravermelho, UV e microondas transportam energia radiante pelo ar. As ondas eletromagnéticas do ambiente vibram estruturas em um campo magnético, convertendo a energia de vibração mecânica em elétrica por meio de um ímã e design de entreferro. Esta abordagem contribui com cerca de 0,3mW de energia colhida para o sistema.

Nanogeradores Triboelétricos

O meio de conversão final para ULP MCUs são nanogeradores triboelétricos (TENGs). Essa tecnologia aplica materiais [diferentes] a superfícies que sofrem atrito de movimentos mecânicos como rotação, vibração, oscilação e expansão / contração. Os eletrodos prendem esses materiais, recuperando a energia criada pelo desequilíbrio de carga (eletricidade estática) gerado pela fricção dos materiais. Esta abordagem oferece potência suplementar 10x menor do que a piezoelétrica, ou cerca de 1-1,5mW.

Energy Harvesting com MCUs ULP – Conclusão

Tecnologia vestível e redes de sensores sem fio, aplicações diárias de MCUs de ultra-baixa potência, consomem energia da ordem de dezenas de miliwatts. As baterias de íon de lítio são uma ótima opção para fornecer essa energia por um período de tempo adequado. No entanto, a sensibilidade ao clima frio e a demanda do usuário por uma vida útil prolongada da bateria, estimulam o avanço da tecnologia atual. A energy harvesting mecânica por meio de fontes piezoelétricas, radiação eletromagnética e triboelétricas fornece até 10 por cento da vida útil da bateria auxiliar. Otimizando a tecnologia para cargas de resistência e corrente, a melhoria contínua dessa tecnologia poderia eventualmente remover a necessidade de baterias em dispositivos MCU ULP. É uma corrida entre o desenvolvimento de baterias em miniatura e o aumento de potência, com o consumidor ganhando de qualquer maneira.

Artigo escrito por Adam Kimmel e publicado no blog da Mouser Electronics: How Energy Harvesting by Ultra-Low-Power MCUs Can Eliminate Batteries.

Traduzido e adaptado por Equipe Embarcados .Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

Mouser Electronics é um dos líderes mundiais em distribuição de semicondutores e componentes eletrônicos e distribuidor autorizado de mais de 500 fornecedores líderes da indústria. Nosso foco é a excelência em serviço ao cliente, oferendo rápida entrega e embarque imediato com a precisão no processo, desde a colocação dos pedidos até a sua entrega. Mouser oferece uma ampla seleção de produtos em estoque para rápido envio a mais de 170 países.

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