Przewodnik doboru i użycia źródeł zasilania IoT oraz IIoT

Choć urządzenia zaprojektowane pod kątem Internetu rzeczy (IoT) oraz przemysłowego IoT (IIoT) mogą znacznie się między sobą różnić, wszystkie potrzebują pewnego podstawowego źródła zasilania do wprowadzania danych, przetwarzania ich i komunikacji. Jednakże zróżnicowana natura funkcji urządzeń IoT i ich środowisk skutkuje różnorodnością głównych źródeł zasilania, od zasilaczy sieciowych po baterie i ogniwa słoneczne.

Ponadto, szeroki zakres funkcji i trybów pracy takich jak „always on” (zawsze aktywny) czy „pogotowie” umożliwiający szybką reakcję na bodźce na wejściu, wymaga starannego doboru zasilaczy wewnętrznych. Celem jest uzyskanie maksymalnej sprawności, utrzymanie małych fizycznych rozmiarów urządzenia oraz maksymalizacja gęstości mocy dla danego zastosowania bez uszczerbku na wydajności lub konieczności stosowania rozbudowanych systemów odprowadzania ciepła, które to systemy mogą zwiększać rozmiary, wagę i koszty. Kolejną kwestią jest bezpieczeństwo użytkownika, które nie może być zagrożone.

W niniejszym artykule omówiono różne rodzaje zasilaczy stosowanych w urządzeniach IoT i zwrócono uwagę na przykładowe produkty firmy RECOM Power, które zostały zaprojektowane tak, by spełniać te wymagania.

Zasilacze sieciowe

Urządzenia IoT lub IIoT wykorzystujące zasilanie sieciowe mają mniejsze ograniczenia mocy niż urządzenia przenośne. Zasilacz sieciowy zasadniczo zapewnia stałe napięcia na wejściu o odpowiednim natężeniu prądu. Inne źródła energii, takie jak ogniwa słoneczne, mogą charakteryzować się dużymi wahaniami napięcia i natężenia prądu w zależności od oświetlenia i stopnia zastosowanej regulacji napięcia. Urządzenia IoT lub IIoT muszą być elastyczne względem mocy na wejściu, aby poradzić sobie z ewentualnymi wahaniami.

Jeden z producentów zasilaczy, firma RECOM Power, zaprojektowała serię niezwykle kompaktowych, w pełni obudowanych 5-watowych zasilaczy - seria modułów prądu zmiennego/stałego RAC05-K - aby w pełni zaspokoić potrzebę elastyczności zastosowań IoT lub IIoT względem napięcia na wejściu.

Te moduły zasilaczy pracują przy napięciu wejściowym w zakresie od 85 do 264V~ (47 do 63 herców (Hz)) lub w zakresie od 120 do 370V=. Taki, niemalże uniwersalny, zakres napięcia wejściowego sprawia, że omawiane zasilacze można stosować na całym świecie w warunkach domowych lub przemysłowych. Umożliwia to również szeroki zakres temperatur pracy: urządzenia serii RAC05-K są przystosowane do dostarczania pełnej mocy w temperaturach od -25°C do +50°C oraz obniżonej mocy wyjściowej w zakresie od +50°C do +70°C.

Poszczególne modele serii posiadają ustalone napięcie na wyjściu wynoszące 3,3, 5, 12, 15 lub 24 wolty. 5-woltowy zasilacz RAC05-05SK zajmuje na płytce drukowanej miejsce 1 x 1 cala (25,4 x 25,4 milimetra (mm)), a jego wysokość wynosi 0,65 cala (16,5mm). Przy mocy wyjściowej 5 watów, moduł ten posiada odpowiednią gęstość mocy 7,7 wata na cal sześcienny (ilustracja 1).

Ilustracja 1: moduł zasilania RECOM RAC05-05SK dostarcza 5 watów mocy i mieści się w obudowie o wymiarach 1” x 1” x 0,65” (25,4 x 25,4 x 16,5mm), co daje gęstość mocy na poziomie 7,7 wata na cal sześcienny. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Sprawność omawianych zasilaczy przekracza 80%, a pobór mocy w stanie bez obciążenia wynosi tylko 75 miliwatów (mW). Takie parametry sprawiają, że można je stosować w zawsze aktywnych urządzeniach IoT/IIoT, w przypadku których wysoka sprawność i niskie wewnętrzne straty energii pomagają utrzymać niską temperaturę urządzenia.

Jeśli chodzi o kwestię bezpieczeństwa, seria RAC05-K zawiera wbudowane bezpieczniki oraz zabezpieczenia przeciwprzepięciowe i przeciwzwarciowe.. Są one zgodne z normami bezpieczeństwa IEC60950-1 i UL62368-1 oraz spełniają normy EN55032 kompatybilności elektromagnetycznej dla klasy B bez jakichkolwiek zewnętrznych komponentów.

Duży zakres napięcia wejściowego, niewielkie wymiary, dbałość o bezpieczeństwo i szeroki zakres temperatur pracy sprawiają, że zasilacze te idealnie nadają się do wielu zastosowań IoT lub IIoT zasilanych sieciowo.

Zasilacze przemysłowe

Środowiska przemysłowe często wymagają zastosowania specjalnych zasilaczy ze względu na warunki, w jakich muszą pracować te urządzenia. Jedną z linii takich zasilaczy jest seria przetwornic prądu stałego R1SX, które pracują w temperaturach od -40° do +100°C bez obniżenia parametrów znamionowych. Taki zakres temperatur umożliwia bezpieczną pracę w większości środowisk przemysłowych. Przykładowym urządzeniem z tej serii jest R1SX-3.305-R, 1-watowa przetwornica prądu stałego, przyjmująca napięcie 3,3 wolta na wejściu i zwiększająca je do 5 woltów na wyjściu.

Przetwornice te posiadają izolację do 1 kilowolta (kV) prądu stałego przez 1 sekundę z dostępną opcjonalnie wartością znamionową 3kV przez 1s. Izolacja jest ważna w środowiskach przemysłowych, gdzie często zdarzają się pętle uziemienia i zakłócenia elektryczne. Izolacja wejścia i wyjścia pozwala na przerwanie tych pętli uziemienia i zminimalizowanie rozprzestrzeniania się zakłóceń. Przetwornica prądu stałegoR1SX-3.3-5 może być stosowana do obsługi izolowanych interfejsów danych z przesunięciem poziomów logicznych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: Zachowanie izolacji w interfejsie danych wymaga nie tylko izolatora cyfrowego, ale także izolowanych zasilaczy. Obwód ten wykorzystuje 3,3V po stronie pierwotnej izolatora i 5V po stronie wtórnej dla uzyskania przesunięcia poziomów logicznych przy zachowaniu izolacji galwanicznej. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zasilacze prądu stałego dla urządzeń przenośnych

Przenośne urządzenia IoT lub IIoT z zasilaniem bateryjnym wymagają niewielkich rozmiarów i małych strat mocy. Celem jest maksymalne wydłużenie czasu pracy baterii, aby ograniczyć nieoczekiwane przestoje i zmniejszyć ilość pracy potrzebnej do wymiany baterii w dużej liczbie urządzeń. Kluczowe cechy takich konstrukcji to możliwość przełączenia zasilaczy w tryb spoczynku lub pogotowia, gdy nie są potrzebne, wysoka sprawność oraz szeroki zakres napięć wejściowych, uwzględniający spadek napięcia baterii pod koniec okresu jej użytkowania.

Przykładem przetwornic prądu stałego o specyfikacji odpowiadającej wymaganiom przenośnych urządzeń IoT jest seria R-78S firmy RECOM. Jedno urządzenie z tej serii - R-78S3.3-0.1 - zostało zaprojektowane tak, by generować napięcie 3,3 wolta z 1,5-woltowej baterii typu AA. W serii tej dostępne są również urządzenia o napięciu wyjściowym wynoszącym 1,8. Napięcia 3,3 i 3,6V pozwalają na zasilanie szerokiej gamy mikroprocesorów i kontrolerów z pojedynczego ogniwa baterii. Wszystkie urządzenia pracują w zakresie napięcia wejściowego od 3,15 do 0,65V, co umożliwia wykorzystanie energii baterii do ostatniego miliwata. Przetwornica ta charakteryzuje się wysoką sprawnością na poziomie 93%, co minimalizuje straty mocy. Można przełączyć ją w tryb pogotowia, w którym pobiera zaledwie 7 mikroamperów (µA). Dzięki połączeniu wysokiej sprawności, możliwości przełączenia w tryb pogotowia i szerokiemu zakresowi napięć wejściowych, przetwornica ta idealnie sprawdzi się w przenośnych bezprzewodowych urządzeniach IoT (ilustracja 3).

Ilustracja 3: przykład ilustrujący wykorzystanie trybu wyłączania w celu wydłużenia czasu pracy baterii w zastosowaniach bezprzewodowych. Ogniwo AA o pojemności 2100 miliamperogodzin (mAh) może dostarczać do urządzenia prąd 7µA przez kilkadziesiąt lat. (Źródło ilustracji: RECOM Power, edycja: Art Pini)

Seria R-78S charakteryzuje się również szerokim zakresem temperatur pracy od -40° do +100°C, co przydaje się w przypadku urządzenia przenośnego, które można zostawić przypadkiem w samochodzie przy ekstremalnych warunkach pogodowych.

Przykład na ilustracji 3 pokazuje zastosowanie trybu pogotowia lub uśpienia, podczas którego system zużywa tylko 20 mikrowatów (µW). Napięcie kondensatora w tym trybie, oznaczone niebieską linią, zmniejsza się z czasem od wartości w pełni naładowanego akumulatora wynoszącej 3,3V, aż do osiągnięcia progu ustawionego przez rezystory R1 i R2. Wtedy mikroprocesor sygnalizuje, że przetwornica ma się wybudzić. Gdy przetwornica pracuje w trybie aktywnym układ pobiera tylko 200µA. W tym czasie kondensator ładuje się i przygotowuje do następnego cyklu. Pobór mocy będzie proporcjonalny do cyklu pracy w trybie aktywnym i trybie uśpienia.

Niskie napięcie wejściowe jest cechą wyróżniającą przetwornice R-78S firmy RECOM, sprawiającą, że idealnie nadają się one do pozyskiwania energii z otoczenia w zastosowaniach IoT lub IIoT. Można je na przykład wykorzystać do zwiększenia napięcia źródeł niskiego napięcia, takich jak ogniwa słoneczne lub generatory termoelektryczne (TEG) w celu naładowania akumulatorów 3,3V (ilustracja 4).

Ilustracja 4: schemat przedstawia zastosowanie urządzenia R-78S3.6-0.1 jako przetwornicy podwyższającej napięcie, która otrzymuje niskie napięcie z ogniwa słonecznego lub generatora termoelektrycznego i podnosi je do 3,6V w celu naładowania 3,3V akumulatora przez diodę. Ładowanie można rozpocząć przy napięciu na wejściu wynoszącym zaledwie 0,65 wolta. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Do ładowania ogniwa przez diodę wymagane jest wyższe napięcie na wyjściu (3,6V w porównaniu z 3,3V). Dioda nie pozwala, aby w pełni naładowana bateria, dostarczała energii na wyjście przetwornicy. Przetwornice są zabezpieczone przez zwarciem i przegrzaniem, dzięki czemu pracują niezawodnie.

Projekty referencyjne obwodów i płytki ewaluacyjne z wykorzystaniem układów R-78S3.3-0.1

Projekty referencyjne pomagają określić, czy dany element spełnia potrzeby projektu. W przypadku serii przetwornic prądu stałego R-78S, jest to praktyczne narzędzie służące do oceny urządzenia (ilustracja 5).

Ilustracja 5: projekt referencyjny dla serii przetwornic prądu stałego R-78S firmy RECOM demonstruje niewielkie rozmiary urządzenia w porównaniu do standardowej baterii AA. Ten projekt referencyjny płytki drukowanej można wykorzystać w tworzeniu prototypów. (Źródło ilustracji: RECOM Power, edycja: Art Pini)

Projekt referencyjny układu R-REF02-78S firmy RECOM jest dostępny w formie gotowej płytki drukowanej z listwami 0,100 cala (2,54mm) i otworami montażowymi, co umożliwia proste zastosowanie go w ocenie prototypów. Wtyk włączania przetwornicy jest wyprowadzony do listwy, aby umożliwić ocenę trybu uśpienia przetwornicy.

W przypadku rygorystycznych testów urządzeń, firma RECOM oferuje również płytkę ewaluacyjną R-78S3.3-0.1-EVM-1, która ma więcej węzłów testowych wyprowadzonych do listwy niż w projekcie referencyjnym (ilustracja 6).

Ilustracja 6: schemat płytki ewaluacyjnej R-78SS.3-0.1-EVM-1 firmy RECOM ukazuje pełniejszy wybór dostępnych punktów testowych oraz możliwość komunikacji z urządzeniem za pomocą portu USB, jeżeli zachodzi taka potrzeba. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Płytka ewaluacyjna zawiera wszystkie elementy projektu referencyjnego, ale zwiększa dostęp do połączeń na wejściu i na wyjściu przetwornicy. Dodatkowe mostki i listwy mają na celu umożliwienie wykonywania różnych pomiarów i określania parametrów urządzenia. W zestawie znajduje się port USB, który umożliwia podłączenie zasilania do zewnętrznych obwodów demonstracyjnych.

Podsumowanie

Zasilanie zastosowań IoT i IIoT może mieć różne formy, w tym zasilanie sieciowe, bateryjne lub w drodze pozyskiwania energii z otoczenia. Zastosowanie będzie w pewnym stopniu samo określać wymagania dotyczące źródła zasilania. Projektanci potrzebują uniwersalnych urządzeń zasilających, aby mieć pewność, że ich projekty będą mogły sprostać szerokiej gamie okoliczności pracy. Dzięki szerokiemu zakresowi napięć wejściowych, wysokiej sprawności, niewielkim rozmiarom i trybom spoczynkowym pogotowia, omówione powyżej urządzenia do konwersji mocy firmy RECOM są doskonałymi kandydatami na źródła zasilania dla produktów IoT i IIoT.