Un système collecteur d’énergie supprime les batteries des capteurs sans fil

Les avancées récentes dans les microcontrôleurs à ultra faible consommation ont permis de réaliser des circuits qui présentent des niveaux d’intégration sans précédent pour la puissance nécessaire à leur fonctionnement. Ce sont des systèmes sur une puce avec des schémas d’économie d’énergie volontaristes, comme une coupure de l’alimentation des fonctions non utilisées. En fait, il faut si peu de puissance pour faire fonctionner ces circuits que beaucoup de capteurs sont sans fil car ils peuvent facilement fonctionner sur piles. Malheureusement, il faut remplacer régulièrement ces batteries, ce qui implique une maintenance coûteuse et indésirable. Une solution d’alimentation sans fil plus efficace est de collecter l’énergie ambiante dans l’environnement local du capteur.

Les sources d’énergie ambiante comprennent la lumière, les différences de températures, les vibrations, les émissions de signaux RF, ou n’importe quelle source qui peut produire une charge électrique dans un capteur. Par exemple, des petites cellules photovoltaïques alimentent depuis des années les appareils de poche et peuvent produire des centaines de mW par cm² en exposition directe au soleil et des centaines de µW par cm² en lumière indirecte. Des modules à effet Peltier (Seebeck) convertissent l’énergie thermique en électricité lorsqu’un gradient de température est présent. Les sources d’énergie thermique vont de la chaleur du corps humain, qui peut produire des dizaines de µW/cm² à celle de la surface du conduit de cheminée de chauffage qui peut produire des dizaines de mW par cm². Les composants piézoélectriques produisent de l’électricité soit par compression, soit par flexion de l’élément. Les composants piézo peuvent générer des centaines de µW/cm² selon leur taille et construction. La collecte de l’énergie RF est effectuée avec une antenne et peut produire des centaines de pW/cm².

La réussite de la conception d’un système de capteur sans fil totalement auto alimenté nécessite des microcontrôleurs économisant l’énergie et des capteurs qui consomment une énergie minimale dans des environnements de faible énergie. Maintenant que tous les deux sont facilement disponibles, le chaînon manquant est le circuit de conversion d’énergie à haut rendement pouvant convertir la sortie du capteur en une tension utilisable. Un système de collecte d’énergie type comprend le capteur source d’énergie, un élément de stockage de l’énergie et le moyen de convertir cette énergie stockée en une tension régulée utilisable. Il peut aussi y avoir besoin d’un réseau redresseur de tension entre le capteur d’énergie et l’élément de stockage d’énergie pour éviter le retour de l’énergie vers le capteur ou pour redresser un signal alternatif dans le cas d’un capteur piézoélectrique.

Le circuit  LTC3588-1 de Linear constitue une solution complète de collecte d’énergie optimisée pour des sources de haute impédance comme des capteurs piézoélectriques.Il réunit toutes les fonctions essentielles de gestion de l’alimentation. Il comporte un redresseur double alternance en pont à faible perte et un convertisseur abaisseur synchrone à haut rendement, qui transfère l’énergie d’un composant de stockage d’entrée vers une sortie à tension régulée pouvant accepter des charges jusqu’à 100 mA.

Parmi les exemples d’applications possibles du circuit  LTC3588-1, citons :

• la collecte d’énergie piézoélectrique : un système piézoélectrique T220-A4—503X qui, une fois placé dans un flux d’air, peut produire une puissance de 100 µW sous 3,3 V avec  une déflexion de l’élément piézoélectrique de 0,5cm à une fréquence de 50Hz ;
   
• la collecte d’énergie à effet Peltier : dans le cas d’un système de collecte d’énergie qui utilise un module à effet Peltier de Tellurex Corporation, un différentiel de température produit une tension de sortie permettant une charge de sortie de 300 mW ;
   
• la collecte d’énergie à partir du champ électromagnétique produit par des tubes fluorescents standards : pour réaliser un système qui collecte l’énergie des champs électriques qui entourent des tubes fluorescents haute tension, 2 plaques de cuivre de 30 x 60 cm sont placées à 15 cm d’un éclairage fluorescent de 60 x 120 cm. Les plaques de cuivre collectent par capacité 200 µW des champs électriques avoisinants. Cette énergie est convertie par le LTC3588-1 en tension de sortie régulée. 

Par Jim Drew, Senior Applications Engineer chez Linear