Mérések és alkalmazások saját készítésű, környezetéből táplált beágyazott rendszerhez

OData támogatás
Konzulens:
Dr. Timár András
Elektronikus Eszközök Tanszéke

Napjaink alacsony fogyasztású eszközei lehetővé teszik olyan áramkörök megalkotását, amik képesek a környezetből gyűjtött energiákból működni. A napelem egy népszerű és elterjedt megoldás, de nem alkalmazható minden körülmények között. Zárt terekben, ahol a mechanikai energia (vibráció, sokk) stabilan rendelkezésre áll, a vibrációs energiagyűjtők jelentik az optimális választást. Ezek közül, számos előnyös tulajdonsága miatt, kiemelkedik a piezoelektromosság elvén működő PZT kristály.

A rezgések nem csak energiaforrást jelenthetnek, hanem bizonyos szerkezetek (épületek, gépek) esetén fontos diagnosztikai információtartalommal rendelkeznek. Gyakran olyan helyekre kell felszerelni a szenzort, ami költségesen vagy nehezen elérhető, nem is beszélve az időszakos akkumulátorcseréről. A teljesen önellátó, piezoelektromos forrást tartalmazó mérőrendszerek hiányoznak a piacról. Léteznek ugyan részmegoldások, de egyik sem kínál egy komplex megoldást az energiaellátásra és a távolból végezhető mérésre.

Szakdolgozatomban egyetlen nyomtatott áramkörön valósítom meg a mérés, feldolgozás, vezeték nélküli adattovábbítás és vibrációs energiagyűjtés feladatait, ezzel biztosítva egy könnyen kezelhető és a környezeti energiát hasznosítani képes mérőrendszert. Spektrummérésekkel igazoltam a gyorsulásmérőm helyességét, míg fogyasztásméréssel és egy valós alkalmazás környezetében (gépház) megmutattam a piezoelektromos energiagyűjtés lehetőségét.

A gyorsulásmérőm átlapolódás mentesen 100 Hz-es frekvenciáig biztonsággal használható, azonban 200 Hz környékén már garantált az átlapolódás. A rezgőnyelven általam mért maximális teljesítmény 781 uW volt rezisztív és 244 uW komplex (energiagyűjtő IC) lezárás esetén. Az energiamenedzsment áramkör mért legjobb hatásfoka 81%. Egy 2000 pontból álló spektrum felvételéhez átlagosan 30 mW teljesítmény és 1,34 J energia szükséges (a legnagyobb teljesítményt igénylő RF adatátvitellel együtt). Ha ezt a mérést kizárólag csak a rezgőnyelv által generált energiából szeretnénk fedezni, akkor legjobb esetben is 2-3 óráig gyűjteni kell az energiát. A gépházmérés során 4 óra 20 perc alatt 2,25 mJ energiát tudtam gyűjteni, ami átlagosan P = 144,23 nW teljesítménynek felel meg.

A megalkotott rendszerem tehát képes egyszerűen, távolból végzett méréseket végrehajtani, azonban (az RF adatátvitel nagy energiaigénye miatt) ezt a mérést nem lehet teljes egészében piezoelektromos forrásból biztosítani, mindenképpen szükséges egy nagyobb kapacitású energiatároló elem. A munka során több olyan pont is felmerült, ahol javítani lehet az energiagyűjtés teljesítményén és hatásfokán (rezgőnyelv modellalkotás, tartószerkezetek merevségének növelése, impedanciaillesztési algoritmus és áramkör fejlesztése).

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.