Использование микрогенераторов в системах связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Выбор компонентов устройства для аккумулирования энергии из окружающей среды

1.1 Выбор источника свободной энергии

1.2 Выбор схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала

1.3 Принцип работы электростатического микрогенератора

1.3.1 механизмы возбуждения колебаний подвижного элемента

1.3.2 Конкретные реализации механических схем работы МЭМС электретного генератора

1.3.3 Возможные режимы работы механических схем микрогенераторов

1.3.4 Залипание подвижного электрода - ограничение в съёме мощности

1.4 Выбор преобразователя генерируемого сигнала

2. Подбор и расчет элементной базы для реализации микромощного источника питания

2.1 Выбор микрогенератора

2.2 Выбор схемы стабилизатора напряжения

2.3 Расчет выходного напряжения готового устройства

3. Безопасность жизнедеятельности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день очень сложно представить нашу жизнь без Интернета и информационных технологий. Они прочно вошли в жизнь, сделав ее намного проще. С развитием информационных технологий нам становятся доступны новые возможности, которые делают повседневные вещи удобнее, быстрее, и дешевле. Однако, те изменения, которые мы на данный момент видим - это лишь малая часть. Сетевые технологии находятся в начале пути своего развития и по-настоящему большие инновации ждут нас в будущем.

Благодаря развитию новых технологий станет возможным передача через компьютерные сети того, что раньше казалось неосуществимым. Яркий тому пример - запах. Устройство анализирует молекулярный состав воздуха в одной точке и передает эти данные по сети. В другой точке сети этот молекулярный состав, т.е. запах синтезируется. Прототип подобного устройства уже выпустила американская компания Mint Foundry, под названием Olly. И очень скоро мы сможем увидеть воплощение этих идей в нашей повседневной жизни.

Интернет станет сетью не только компьютеров, но и вещей. По данным CIA World Factbook в 2012 году в сети Интернет насчитывалось уже более 700 миллионов компьютеров. Ежегодно у пользователей возрастает число устройств, которые выходят в сеть: компьютеры, телефоны, планшеты и т.д. Уже сегодня кол-во IP-адресов превышает количество населения Земли. С новой архитектурой компьютерных сетей наступит эра «интернета-вещей». Вещи и предметы будут взаимодействовать через сети, что откроет огромные возможности для всех областей жизнедеятельности человека.

Одна из ближайших разработок - это «умная пыль» -- датчики, разбросанные по большой территории, которые собирают информацию. Национальный Научный Фонд США прогнозирует, что около миллиардов датчиков на зданиях, мостах, дорогах будут подключены к сети Интернет для мониторинга использования электричества, обеспечения безопасности и т.д. В целом ожидается, что к 2020 г. количество интернет-подключенных датчиков будет на порядок больше, чем количество пользователей.

Сетевые технологии потребляют слишком много энергии, и эксперты сходятся во мнении, что будущая архитектура компьютерных сетей должна быть более энергоэффективной. По данным Национальной лаборатории Лоренса Университета Беркли количество энергии, потребляемой глобальной сетью, в период с 2000 по 2006 год увеличилось в два раза. Интернет занимает 2% мирового потребления электроэнергии, что эквивалентно мощности работы 30ти атомных электростанций - 30 млрд. Вт. Тенденция к «озеленению» или «экологизации» сети Интернет будет ускоряться по мере возрастания цен на энергоносители.

Проблема дефицита энергии наряду с появлением микросхем с чрезвычайно низким энергопотреблением, а также схем, способных собирать, управлять и сохранять энергию послужили стимулом к созданию нетрадиционных источников питания, преобразующих энергию окружающей среды в электрическую. И на сегодняшний день эта технология - горячая тема. Изготовители средств аккумулирования энергии успешно доказывают возможность замены ими обычных батарей в системах, где применение последних вызывает проблемы: стоят дорого или опасны. Средства аккумулирования энергии оказались перспективными для транспортной инфраструктуры, автоматизированных систем управления инженерным оборудованием зданий, беспроводных медицинских приложений, сенсорных сетей.В результате число устройств, питаемых аккумулированной из окружающей среды энергией, растет "не по дням, а по часам".

Микрогенераторы можно использовать в устройствах для питания повсеместно развернутых сенсорных сетей и мобильной электроники. Системы могут собирать энергию от человеческой деятельности или от температуры окружающего воздуха, света, радио или вибрации.

На сегодняшний день габариты электроники стали меньше и требуют меньшую мощность батарей, что открывает широкие возможности использования беспроводных и мобильных приложений. Несмотря на свою экономичность, аккумуляторы ограничивают проникновение беспроводных систем в жизнь, так как использование беспроводных датчиков везде сопровождается кошмаром замены и утилизации батарей.

Один из вариантов решения данной проблемы - перемещение на другой источник энергии. Использование возобновляемых источников энергетических ресурсов в устройствах предполагает источник питания, ограниченный физическим выживанием устройства, а не пополнением запаса энергии.

Методы получения энергии из отходов тепла или вибрации исследовались в течение многих десятилетий. Тем не менее, повышенный интерес к данным исследованиям появился вместе с развитием беспроводных систем и миниатюризацией электроники, чтобы населить мир сенсорными сетями и мобильными устройствами.

Колебательные возбуждения от вибраций полов и стен, неподалеку от машин широко распространены во многих местах, но они могут меняться в широких пределах по частоте и амплитуде. Изобретатели уже давно разработали системы сбора этой энергии. Например, часы с автоподзаводом использовали движение тела пользователя. Широкого распространения этих систем не происходило вплоть до 1930-х годов, пока не научились делать герметичные корпуса часов для защиты механизма от пыли.

Большой интерес в долгоживущих беспроводных датчиках подтолкнул многих ученых к разработке колебательных микрогенераторов, которые сделаны на основе пьезоэлектрических материалов.



1. Выбор компонентов устройства для аккумулирования энергии из окружающей среды

Энергия, извлекаемая из окружающей среды, невелика, непостоянна и непредсказуема. Поэтому для сопряжения ее источника с вторичным источником мощности (по существу с накопителем энергии - батареей или конденсатором) применяется промежуточный компонент, который преобразует энергию в удобную для дальнейшей обработки форму. Типичное устройство аккумулирования энергии из окружающей среды состоит из трех блоков:

1) источника свободной энергии;

2) схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала;

3) преобразователя генерируемого сигнала в удобную для дальнейшей обработки форму, содержащего, как правило, датчик, регистрирующий поступающую в виде электрического сигнала собранную энергию, АЦП и маломощный микроконтроллер;

1.1 Выбор источника свободной энергии

Сбор энергии представляет собой процесс, в результате которого энергия, полученная из внешних источников (например, солнечная энергия, тепловая, энергия ветра, солености воды, и кинетическая энергия), захватывается и хранится для малых беспроводных автономных устройств, таких как те, которые используются в переносной электронике и беспроводных сенсорных сетях.

Сборщики энергии (energy harvesters) обеспечивают очень небольшое количество энергии для низкоэнергетической электроники. Источник энергии для сборщиков энергии присутствует в качестве фона окружающей среды и является бесплатным. Например, существуют градиенты температуры от работы двигателя внутреннего сгорания, в городских районах, существует большое количество электромагнитной энергии в окружающей среде из-за радио и телевизионного вещания.

Есть много мелких источников энергии, которые обычно не могут масштабироваться до промышленного размера:

1) Фотоэлементы представляют собой способ выработки электрической энергии путем преобразования солнечного излучения (в помещении и на открытом воздухе) в электричество постоянного тока с использованием полупроводников, которые проявляют фотоэлектрический эффект.

2) Микроветровые турбины используются для сбора энергии ветра, легко доступны в окружающей среде в виде кинетической энергии для питания электронных устройств малой мощности, таких как беспроводные узлы датчика. Когда воздух проходит через лопатки турбины, разница давления развивается между скоростью ветра выше и ниже лопаток.

3) Пьезоэлектрические кристаллы или волокна генерируют небольшое напряжение, когда они механически деформируются. Вибрация от двигателей может стимулировать пьезоэлектрические материалы (например, пятка ботинка или нажатие кнопки).

4) Специальные антенны могут собирать энергию «бродячих» радиоволн, также это может быть сделано с рентгена и теоретически даже при более высокой частоте электромагнитного излучения с наноантенн.

5) Пироэффект преобразует изменение температуры в электрический ток или напряжение. Он аналогичен пьезоэлектрическому эффекту, который является другим типом сегнетоэлектрического поведения. Пироэлектричество требует изменяющихся во времени входах и страдает от небольших выходов мощности из-за его низких рабочих частот. Тем не менее, одним из ключевых преимуществ пироэлектриков над термоэлектриками является то, что многие пироэлектрики стабильны до 1200 ?C или выше, что позволяет собирать энергию от источников высокой температуры и, таким образом, увеличивая термодинамическую эффективность.

6) Термоэлектрики. В 1821 году Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками создает напряжение. В основе термоэлектрического эффекта лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящего материала приводит к тепловому потоку; это приводит к диффузии носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными регионами в свою очередь, создает разность потенциалов. Были разработаны миниатюрные термопары, которые преобразуют тепло тела в электричество и генерируют 40мW.

7) Электростатическое (емкостное). Этот тип сбора основан на переменной емкости вибрационно-зависимых конденсаторов. Вибрация меняет расстояние между обкладками заряженного переменного конденсатора, а механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Полученные устройства могут напрямую заряжать батареи, или могут привести к экспоненциально растущим напряжениям на накопительных конденсаторах, из которых энергия может периодически извлекаться преобразователями DC / DC.

8) Магнитная индукция. Магниты пошатываясь на кантилеверах чувствительны даже к небольшим колебаниям и генерируют микротоки путем перемещения относительно проводников в связи с законом индукции Фарадея.

9) Уровень сахара в крови. Существует способ сбора энергии через окисление сахара в крови. Он может быть использован для питания имплантированных электронных устройств (например, кардиостимуляторы, имплантируемые биосенсоры для больных сахарным диабетом, имплантированные активные RFID-устройства и т.д.). В настоящее время Minteer группа Saint Louis University создал ферменты, которые могут быть использованы для выработки энергии из сахара в крови.

10) На основе дерева. Сбор метаболической энергии дерева представляет собой еще один тип получения биоэнергии. Voltree разработал метод для отбора энергии от деревьев. Эти устройства используются для питания удаленных датчиков и ячеистых сетей в качестве основы для долгосрочного развертывания системы мониторинга лесных пожаров и погоды в лесу.

11) Метаматериал Устройство Метаматериал на основе беспроводной сети преобразует СВЧ-сигнал 900 МГц до 7,3 вольт постоянного тока (больше, чем у устройства USB). Прибор может быть настроен, чтобы собрать другие сигналы, в том числе Wi-Fi сигналы, спутниковые сигналы, или даже звуковыми сигналы. Экспериментальное устройство, которое используется серия из пяти стекловолокна и медных проводников. Эффективность преобразования достигла 37 процентов.

12) Изменения атмосферного давления .Изменение давления воздуха из-за изменения температуры или погодных условий используется для подачи питания для механических часов, таких как часы Atmos.

В таблице 1.1 приведены некоторые энергетические ресурсы и мощность, которую можно получить при их использовании.

Таблица 1.1 - количество собранной мощности от различных энергетических ресурсов

Энергетический ресурс	Собранная мощность, мкВт\см2
вибрация	4 - 100
разница температур	25 - 10 000
свет	10 - 10 000
радиочастоты	0.1 - 1

Хотя для всех этих типов энергии предлагаются разные типы преобразователей в электрическую энергию, необходимо отметить, что энергии радиоволн, ветра, тепловых градиентов обладают низкой удельной плотностью.

Поэтому только солнечная энергия и энергия механических колебаний поверхностей различных твёрдых тел при небольших размерах генерирующих устройств могут быть использованы для генерации электрической энергии мили- и микроваттного диапазона, достаточной для питания современных микросхем. Однако, солнечная энергия доступна только ограниченное время.

Анализ показывает, что одним из наиболее распространенных источников энергии в окружающем пространстве являются механические колебания и их энергии может быть достаточно для получения необходимой мощности устройства.

1.2 Выбор схемы сбора энергии из окружающей среды и генерации электрического сигнала

Выбор конкретного механизма датчика для получения энергии от вибрации сильно зависит как от условия эксплуатации, так и размеров.

Существует четыре основных метода, которые могут быть использованы для выработки электроэнергии из механические колебаний:

1) Электромагнитный, при котором магнитное тело под действием внешней кинетической энергии перемещается в магнитном поле, вызывая изменение заряда магнитного потока и генерацию напряжения. Преимуществом данного микрогенератора является отсутствие внешнего источника питания, что обеспечивает его автономность. Однако при изготовлении данного устройства возникает проблема размещения катушки индуктивности и постоянного магнита с небольшими размерами. Кроме того, для получения постоянного магнитного поля необходимо применять специфические материалы, что увеличивает стоимость готового изделия за счёт введения дополнительных операций в технологический процесс. Выходное напряжение такого микрогенератора достигает нескольких вольт. Но в ряде задач такой сигнал может быть недостаточным для поддержания стабильной работы аппаратуры, следовательно, слабый выходной сигнал необходимо усиливать. Таким образом, для использования электромагнитного микрогенератора необходимо применять ещё одно - дополнительное - устройство, что существенно увеличивает габаритные размеры и стоимость изделия.

2) Пьезоэлектрический, регистрирующий напряжение, которое возникает в результате деформации слоя пьезоэлектрика, нанесенного на стержень, к которому прикреплен груз, перемещаемый под действием кинетической энергии колеблющегося тела. Основным преимуществом пьезоэлектрических микрогенераторов является наибольшая генерируемая мощность по сравнению с электромагнитными и электростатическими.

Но широкое применение микрогенераторов данного типа ограничивается такими факторами как:

- малое количество пьезоэлектрических материалов совместимых с технологией изготовления интегральных схем;

- низкие характеристики совместимых материалов;

- ухудшение характеристик со временем;

- хрупкость тонких пьезоэлектрических плёнок;

- узкий диапазон частот.

3) Магнитострикционный, при котором изменение магнитного потока под воздействием кинетической энергии регистрируется многослойным магниторезистивным или пьезоэлектрическим, или магнитоэлектрическим преобразователем.

4) Электростатический, при котором измеряется напряжения конденсатора, обусловленное смещением одной из его обкладок под действием внешнего усилия. За счёт работы, совершаемой внешней механической силой при изменении ёмкости переменного конденсатора, часть внешней механической энергии преобразуется в электрическую энергию.

Среди различных физических принципов, на которых может быть основана работа микрогенераторов электрической энергии, наиболее эффективными являются электростатические, поскольку остальные имеют существенные недостатки: электромагнитные генераторы энергии неэффективны в области малых амплитуд колебаний, а пьезоэлектрические неэффективны при малых частотах колебаний.

Кроме того, технология изготовления высококачественных тонких пьезоэлектрических плёнок пока недостаточно разработана.

1.3 Принцип работы электростатического микрогенератора

1.3.1 Механизмы возбуждения колебаний подвижного элемента

Принцип работы электретного микрогенератора схож с принципом работы электретного микрофона, который применяется в течение многих лет в науке и технике. Если в обычном конденсаторном микрофоне заменить мембрану электретной плёнкой, то она создает в зазоре «мембрана - неподвижный электрод» электрическое поле, сравнимое с полем внешнего напряжения, используемого в обычных конденсаторных микрофонах. В соответствии с изменением зазора между электродами при движении электретной мембраны происходит изменение ёмкости преобразователя и на неподвижном электроде индуцируется переменный сигнал.

Возбуждение силой

На рисунке 1.1 представлена механическая схема воздействия периодической силы

f(t) = Fsin щt (1)

на пластину конденсатора с массой m, подвешенную на пружине с коэффициентом упругости k, учитывающая потери энергии в системе c.

Рисунок 1.1 - Механическая схема возбуждения колебаний массы m при воздействии гармонически изменяющейся силы

энергия сигнал микрогенератор напряжение

Уравнение, описывающее эту систему, следующее:

(2)

Оно легко преобразуется к виду:

(3)

Это уравнение представляет собой закон сохранения энергии: работа внешней силы (левая часть уравнения) расходуется на изменение кинетической энергии колеблющейся массы m и потенциальной энергии пружины подвески (второе слагаемое в правой части уравнения) и на потери в системе (первое слагаемое).

Исходя из структуры уравнения (), нетрудно сделать вывод, что для увеличения накопления механической энергии в системе при заданных частотах возбуждения

f=щ/2р (4)

необходимо увеличивать амплитуду силы F, воздействующей на систему, массу колеблющейся пластины m и жёсткость пружины подвески k.

Отметим, однако, что в реальных конструкциях микрогенераторов режим, при котором внешняя сила непосредственно воздействует на колеблющуюся пластину конденсатора, трудно реализуем. Известно только малое число работ, в которых внешняя сила приложена непосредственно к валу вращающейся пластины, но такие генераторы трудно создать в микроэлектронном исполнении. Поэтому, более эффективен вибрационный режим, когда внешние колебания корпуса устройства передаются через пружину подвески на массу пластины m.

Вибрационный режим

В данном устройстве (рисунок 2) колебания корпуса (относительно некоторой неподвижной поверхности) y(t) вызывают колебания подвижного электрода z(t), а смещение подвижного электрода относительно корпуса равно

x(t)=z(t)-y(t). (5)

Сила, передаваемая через пружину на вибрирующий электрод, равна:

(6)

Для этого режима уравнение, описывающее механическую систему, выглядит следующим образом:

, (7)



где y - координата перемещения корпуса устройства,

x - координата перемещения массы m.

Или для смещения массы относительно корпуса :

(8)

Это уравнение эквивалентно уравнению () при замене F на

. (9)

Значит, как и в предыдущем случае, механическая энергия, накапливаемая в системе, увеличивается при увеличении массы, жесткости пружины подвески и силы, которая, в свою очередь, пропорциональна массе подвижного элемента, квадрату частоты возбуждения и амплитуде вибрации

Рисунок 1.2 - Механическая схема вибрационного режима возбуждения колебаний массы m

Описание вибрационного режима с учётом потерь механической энергии

Схема активного элемента генератора и электромеханическая схема структуры генератора изображены на рисунке 1.3.

Вибрирующий электрод колеблется относительно закрепленного на корпусе устройства электрета с диэлектрической проницаемостью е и встроенным зарядом Q_P. Этот заряд наводит на электродах заряд, компенсирующий поле, возникающее в структуре из-за присутствия встроенного заряда: Q_S и Q_C на вибрирующем и закрепленном на корпусе электродах, соответственно. Если электроды соединены между собой через нагрузку R, то при изменении положения вибрирующего электрода в цепи пойдет ток I(t) компенсации зарядов на электродах.

Однако в реальной ситуации, когда возникает необходимость в утилизации энергии вибраций окружающей среды, силу, возбуждающую эти вибрации, невозможно приложить непосредственно к вибрирующему электроду, поскольку корпус устройства закрепляется на вибрирующей поверхности. Поэтому для съёма энергии внешних вибраций применяется схема, изображенная на рисунке 3б. Здесь электрет закреплён непосредственно на корпусе устройства, а вибрирующий электрод закрепляется на корпусе: на растяжке - через пружину с коэффициентом упругости k.



Размещено на http://www.allbest.ru/

а - схематическое изображение структуры металл - электрет со встроенным зарядом, Q_P - зазор - вибрирующий электрод (индуцированные заряды на электродах Q_C и Q_P, соответственно);

b - схематическое изображение структуры с учётом ее вибрационного возбуждения и нагрузки R.

Рисунок 1.3 - Механо-электрическая схема электретного генератора

Сила сопротивления электрического поля, за счет которой происходит генерация энергии, выражается как:



(10)

, (11)

где E_A - напряженность электрического поля в области вибрирующего электрода.

Уравнение, описывающее колебания подвижного электрода, есть обычное уравнение механического осциллятора с учетом тормозящей силы электрического поля:

(12)

Уравнение, описывающее электрическую часть устройства, необходимое для вычисления Q_S:

(13)

1.3.2 Конкретные реализации механических схем работы МЭМС электретного генератора

Возможны два типа реализации электретного генератора в микроэлектронном исполнении: “in-plane” конструкция, в которой при движении подвижного электрода изменяется площадь перекрытия электродов при фиксированном межэлектродном зазоре, и “out-of-plane” конструкция, для которой изменяется межэлектродный зазор при фиксированной площади перекрытия. Возможные типы “in-plane” генераторов представлены на рисунке 1.4, направление смещения подвижного электрода обозначено стрелками. Они представляют собой либо матрицу встречно направленных перекрываемых штырей (рисунок 4а), когда конденсатор конструкции образуется за счёт перекрытия боковых поверхностей этих штырей, либо систему перекрываемых решёток (рисунок 4б).

Поскольку “in-plane” конструкция наиболее проработана технологически: она применялась ранее для создания МЭМС-акселерометров и гироскопов, она также наиболее проработана и для разработки микрогенераторов и наилучшие параметры по удельной генерируемой мощности - до 100 мкВт/см², были достигнуты именно для неё, в реализации, соответствующей рисунку 4б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

a - с перекрытием боковых поверхностей штырей;

b - с перекрытием «гребёнок».

Рисунок 1.4 - Примеры реализации конструкций in-plane микрогенераторов

Дальнейшему росту удельной мощности с такой конструкцией генераторов препятствует достаточно большой зазор между электретом и движущейся пластиной - порядка 20 мкм. Такой зазор выбирался, в первую очередь, из соображений электрической прочности на пробой указанной структуры: достигались значения электретного заряда V_P до 600 В и более.

В результате, увеличение мощности ограничено соответствующим электретным зарядом (V_P), а также малой электрической удельной ёмкостью генератора в такой конструкции. Отметим, что указанные параметры соответствуют предельным значениям для описанных выше структур.

Достижение больших удельных емкостей при сопоставимых по порядку величины значениях V_P возможно в “out-of-plane” конструкции, представленной на рисунке 5.

Рисунок 1.5 - Конструкция вибрационного out-of-plane генератора

Однако это направление исследований пока мало проработано. Известны лишь конструкция, представляющая собой плоскую мембрану или балку, закрепленную за один конец, с сосредоточенной на другом её конце массой.

В первом случае величина вырабатываемой энергии мала, из-за малой массы мембраны - до 1 мкВт/см², а во втором - из-за достаточно больших зазоров в генерирующем конденсаторе (порядка 10 мкВт/см²).

Отметим, что в этом прототипе рассматриваемых генераторов размеры устройства (4 см²), масса подвижного электрода (5 г) и заряд (V_P = 1400 В) были достаточно большими, что не позволяло говорить о возможности его микроэлектронного исполнения.

1.3.3 Возможные режимы работы механических схем микрогенераторов

В литературе рассматриваются четыре возможных режима работы электростатического микрогенератора: два основных (резонансный и инерционный), а также - режим вынужденных колебаний и генератор, работа которого основана на ударах колеблющегося электрода о некоторые ограничители, так называемый “impact-генератор”.

1) Резонансный режим, как известно, возникает, когда частота внешнего возбуждения совпадает с собственной частотой структуры масса-пружина. Условие резонанса:

(14)

Рисунок 1.6 - Пример реализации вибрационного электретного микрогенератора с использованием закрепленной на корпусе балки

Преимущество этого режима заключается в значительном росте амплитуды резонансных колебаний, по сравнению с амплитудой внешнего возбуждения, она возрастает в Q_М раз, где Q_М - механическая добротность системы. Поскольку амплитуды колебаний - достаточно большие, то данный режим широко применяется для “in-plane” структур на сдвиге решёток (см. рисунок 1.4б). Достаточно большие амплитуды колебаний позволили в этих структурах перекрывать несколько полосок решетки, что увеличивает мощность генератора в соответствующее число раз. Но этот режим обладает двумя существенными недостатками. Во-первых, сама генерация энергии уменьшает добротность контура: очевидно, что при достаточно высокой эффективности генерации резонанса не будет. Во-вторых, отсутствие периодического возбуждения соответствующей частоты приведёт, по крайней мере, к сбоям резонанса, либо к полному его исчезновению. Поэтому, данные структуры работали только на экспериментальных стендах - с гармоническим возбуждением, поскольку у них, очевидно, отсутствовала реакция на реальные колебания внешней среды.

2) Инерционный режим рассматривается для генераторов, работающих на достаточно низкой частоте f и для больших амплитуд возбуждающих колебаний, что применимо, например, для обеспечения питания различных биологических сенсоров.

В этом случае:

(15)

что означает, что движущийся электрод пролетает большое расстояние по инерции, прежде чем подвергнется действию возвращающей силы пружины.

3) Режим вынужденных колебаний возникает для достаточно больших резонансных частот (жестких пружин), когда соблюдается то же условие (15). Этот режим применялся для “out-of-plane” конструкций, выполненных в микроэлектронном исполнении, когда величина межэлектродного зазора сравнима или меньше амплитуды возбуждающих вибраций. Недостатком таких генераторов является малая величина выходной мощности, на уровне 1-10 мкВт/см², поскольку для жёстких пружин большая амплитуда модуляции зазора трудно достижима, и, как известно, при малых амплитудах модуляции ёмкости структуры выходная мощность мала.

4) “Impact-генератор” в настоящее время мало проработан, хотя, как будет показано ниже, он перспективен для out-of-plane структур. Известны лишь две модельные работы - для in-plane режима, с ударами виброэлектрода об ограничители и для out-of-plane режима, при малом межэлектродном зазоре.

Хотя последний случай и представляет большой интерес, но этот режим плохо проработан как теоретически, так и экспериментально: лишь намечена перспективность его применения.

1.3.4 Залипание подвижного электрода - ограничение в съёме мощности

Необходимо особо остановиться на случае необратимой остановки подвижного электрода под действием электростатических сил притяжения либо к ограничителям, либо непосредственно к поверхности электрета.

Эта ситуация возникает, когда силы электростатического притяжения превышают силы упругости пружины и силы инерции колеблющейся массы (см. (21)):

(16)

Данный эффект накладывает серьезные ограничения на работу генератора и его мощность как в in-plane, так и в out-of-plane исполнении, поскольку, с одной стороны, чем больше F_эл, тем больше величина генерируемой мощности, но с другой - микроэлектронное исполнение накладывает существенные ограничения на величину массы подвижной пластины.

Очевидным путём выхода из этой ситуации является увеличение жёсткости пружины, но, как отмечалось выше, это также приводит к снижению выходной мощности. Поэтому, для исключения залипания необходимо работать при массах подвижного электрода насколько возможно бьльших.

Некоторые авторы касаются этой проблемы при описании работы предлагаемых устройств, но детально этот вопрос до сих пор не проработан.

1.4 Выбор преобразователя генерируемого сигнала

Преобразователь должен отвечать следующим требованиям:

1) Низкий входной ток

2) Рабочий диапазон напряжений от 1.5 до 20 В

3) Низкий уровень потерь

4) Совместимость с технологией Energy Harvesting

5) Высокий КПД

Этим требованиям удовлетворяет микромощный накопитель энергии LTC3588-1 фирмы «Linear Techology».



2. Подбор и расчет элементной базы для реализации микромощного источника питания

2.1 Выбор микрогенератора

Микрогенератор 1375НМ024 является автономными источником питания для миниатюрных микромощных элементов беспроводных сенсоров и сетей, интеллектуальных систем контроля и управления. Микрогенератор предназначен для комплектации систем автономного энергообеспечения малогабаритной аппаратуры.

Параметры микрогенератора 1375НМ024:

-выходная мощность от 10 до 100 мВт;

- выходное напряжение от 0.05 В до 15 В;

- время накопления заряда от 100 до 400 с.

- рабочий диапазон температур от минус 60 до 85 ^оС.

Для определения напряжения на входе преобразователя, воспользуемся графиком зависимости выходного напряжения от амплитуды виброускорения для микрогенераторов 1375НМ024

Рисунок 2.1 - Зависимости выходного напряжения от амплитуды виброускорения для микрогенераторов 1375НМ024



2.2 Выбор схемы стабилизатора напряжения

LTC3588-1 -- преобразователь напряжения для накопителей энергии. LTC3588-1 интегрирует в одном корпусе мостовой выпрямитель с малым уровнем потерь и понижающий стабилизатор напряжения, обеспечивая завершенное решение для систем накопления энергии, оптимизированное для работы с высокоимпедансными источниками энергии. Схема блокировки при недопустимом снижении входного напряжения (UVLO) со сверх малым током покоя и гистерезисом ~ 1 В позволяет накапливать заряд на входном конденсаторе до тех пор пока понижающий преобразователь не сможет с достаточной эффективностью передать часть накопленного заряда на выход. При стабилизации выходного напряжения на заданном уровне, LTC3588-1 переходит в режим сна, при котором входной и выходной токи покоя достигают минимального значения. Преобразователь поддерживает четыре уровня выходного напряжения -- 1.8 В, 2.5 В, 3.3 В и 3.6 В, устанавливаемого комбинацией уровней сигналов на двух управляющих выводах, и ток нагрузки до 100 мА, который может быть увеличен путем установки большего выходного конденсатора. Входной защитный шунт на 20 В позволяет накапливать больше энергии при данной входной емкости.

Отличительные особенности:

- Входной ток покоя 950 нА (стабилизированный выход без нагрузки)

- Входной ток покоя в режиме UVLO 450 нА

- Диапазон входного напряжения 2.7...20 В

- Интегрированный мостовой выпрямитель с минимальными потерями

- Выходной ток до 100 мА

- Задаваемый управляющими выводами уровень выходного напряжения 1.8 В, 2.5 В, 3.3 В или 3.6 В

- Интегрированный высокоэффективный понижающий DC/DC преобразователь напряжения с гистерезисом

- Схема блокировки при недопустимом снижении входного напряжения (UVLO) с широким диапазоном пороговых значений

- Диапазон рабочих температур от минус 40 до 125єС

- Доступен в 10-выводных корпусах DFN, размером 3 х 3 мм, и eMSOP

Преобразователь LTC3105 является законченным однокристальным решением, которое применяется для сбора энергии. Эта ИС имеет схему контроля точки максимальной мощности и запускается при низком напряжении, что обеспечивает оптимальное извлечение энергии. Преобразователь LTC3105 может применяться не только для питания схем напрямую, но и для зарядки устройств хранения энергии. Эти ИС позволяют создавать полностью автономные удаленные датчиковые узлы, системы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к энергосети и требующие минимального обслуживания.

Рисунок 2.2 - зависимость выходного напряжения от напряжения на входе



2.3 Расчет выходного напряжения готового устройства

На основе графиков 2.1 и 2.2 построим график выходного напряжения готового устройства 2.3

Рисунок 2.3 - зависимость выходного напряжения от входного готового устройства

Таким образом, мы получили автономную схему питания с постоянным выходным напряжением 3,6В.



3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Обзор вредных факторов

В настоящее время персональный компьютер (ПК) является основным рабочим инструментом многих категорий людей. Основной объем информации человек-оператор получает с помощью зрительного анализатора. Представление информации в удобном для восприятия виде осуществляется устройствами отображения. Между тем, согласно результатам исследований, существует ряд причин в результате действий которых, работа с компьютером попадает в разряд потенциально опасных для здоровья.

Работая с ПК, оператор подвергается воздействию следующих психофизических факторов: умственное перенапряжение, перенапряжение зрительных и слуховых анализаторов, монотонность труда, эмоциональные перегрузки. Кроме того, работа операторов связана с воздействием таких вредных и опасных факторов, как повышенный уровень шума, повышенная температура внешней среды, недостаточная освещенность рабочей зоны, электрический ток статическое электричество, электромагнитное излучение и другое.

Влияние выше приведенных факторов приводит к снижению работоспособности вызываемому утомлением. Появление и развитие утомления вызывает изменения в центральной нервной системе человека. В результате длительное нахождение человека в зоне комбинированного воздействия вредных различных и опасных факторов может привести к профессиональному заболеванию. Множество примеров связи между работой на компьютере и такими недомоганиями, как астенопия ( быстрая утомляемость глаз), боли спины и шеи, болезненное поражение срединного нерва запястья, т. е. запястный синдром, тендениты (воспалительные процессы в тканях сухожилий), стенокардия и продолжительные различные стрессовые состояния, хронические головные боли, сыпь на коже лица, головокружение, повышенная возбудимость и депрессивные состояния, снижение концентрации внимания, частые нарушения сна.

Основным источником проблем, связанных с охраной здоровья людей, использующих в своей работе персональные компьютеры, являются дисплеи с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Они представляют собой источники наиболее вредных излучений, неблагоприятно влияющих на здоровье операторов. Выделяют два наиболее неблагоприятных типа излучений, возникающих при работе монитора: электростатическое излучение и электромагнитное излучение. Первое возникает в результате облучения экрана потоком заряженных частиц. Неприятности, вызванные им, связаны с пылью, накапливающегося на электростатических заряженных экранах, которая летит на пользователей во время его работы за дисплеем. Результаты медицинских исследований показывают, что такая электризованная пыль может вызвать воспаление кожи.

Электромагнитное излучение создается магнитным катушками отклоняющей системы, находящимися около цокольной части ЭЛТ. Специальные измерения показали, что невидимые силовые поля появляются даже вокруг головы оператора во время его работы за дисплеем. Частотный спектр излучения монитора характеризуется наличием рентгеновских, ультрафиолетовых, инфракрасных и других электромагнитных колебаний.

Основным средством защиты от вредного влияния дисплея является защитный экран. Зрение оператора больше всего страдает от излишней яркости монитора, недостаточной контрастности изображения, а также от посторонних бликов и рассеяния света на поверхности дисплея. В результате человек за компьютером быстро устает, ухудшается внимание, снижается работоспособность.

Защитный экран уменьшает общую яркость монитора, в тоже время детали изображения с малой яркостью остаются хорошо видимыми, так как общая контрастность увеличивается. Краски изображения становятся более сочными, так как пропадает серый фоновый цвет, связанный с рассеиванием света эмульсии. Снижается внешняя освещенность экрана монитора, устраняются блики на поверхности дисплея.

Отрицательно сказывается на человеческом организме увеличение количества положительно заряженных ионов в воздухе вблизи работающего дисплея. Медицинские исследования показали, что долговременное пребывание в деионизированной атмосфере воздействует на метаболизм и приводит к изменению биохимической реакции в крови на клеточном уровне, что нередко заканчивается стрессом.

3.2 Требования к рабочему месту оператора

Важную роль играет планировка рабочего места, которая должны удовлетворять требования удобства выполнения работ и экономии энергии и времени оператора, удобства обслуживания ЭВМ, соблюдения правил охраны труда. Площадь на одно рабочее место для взрослых пользователей должна составлять не менее 6 м², а объем - не менее 20 м³. Рабочие места с ЭВМ по отношению к световым проемам должны располагаться так, чтобы естественный свет падал сбоку, преимущественно оптимальном расстоянии 600-700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов.

Схемы размещения рабочих мест с ЭВМ должны учитывать расстояния между рабочими столами с видеомониторам (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экрана другого видеомонитора), которое должно быть не менее 2 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м.

Оконные проемы в помещениях использования ЭВМ должны быть оборудованы регулируемым устройствами типа жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

Рабочие места с ЭВМ при выполнении творческой работы, требующей значительного умственного напряжения или высокой концентрации внимания, следует изолировать друг от друга перегородками высотой 1,5-2,0м.

При планировке рабочего места необходимо учитывать зоны досягаемости рук при расположении дисплеев, клавиатуры ЭВМ. Конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей ( размер ЭВМ, клавиатуры, пюпитра и др), характера выполняемой работы. При этом допускается использование рабочих столов различных конструкций, отвечающих современным требованиям эргоэкономики. Рабочий стул (кресло) должен быть подъемно-поворотным и регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья, при этом регулировка каждого параметра должна быть независимой, легко осуществляемой и иметь надежную фиксацию.

Поверхность сиденья, спинки и других элементов стула (кресла) должна быть полумягкой с нескользящим, не электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнения.

Наиболее удобным считают сиденье, имеющие выемку, соответсвующую форме бедер, и наклон назад. Спинка стула должна быть изогнутой формы, облегающей поясницу. Длина ее должна быть около 0,3м, а ширина 0,11м, радиус изгиба 0,3-0,35м.

Движения оператора должны быть такими, чтобы группы мышц его были нагружены равномерно, а лишние непроизводительные движения устранены.

Во время работы оператор не должен подвергаться воздействию посторонних раздражителей, которыми могут быть мрачная окраска столов и помещения. Поэтому всеми средствами необходимо снижать утомление и напряжение оператора ЭВМ, создавая обстановку комфорта. Рассмотрим требования безопасности во время работы.

Размещение рабочих мест с ЭВМ во всех учебных заведениях не допускается в цокольных и подвальных помещениях. Помещения для занятий с использованием ЭВМ в высших учебных заведениях должны быть оборудованы одноместными столами, предназначенными для работы на ЭВМ. Конструкция одноместного стола для работы с ЭВМ должна предусматривать:

- Две раздельные поверхности: одна горизонтальная для размещения ЭВМ с главной регулировкой по высоте и углу наклона от 0 до 15 градусов с надежной фиксацией в оптимальном рабочем положении (12-15 градусов), что способствует поддержанию правильной рабочей позы студентам, без резкого наклона головы вперед.

- Ширину поверхности для ЭВМ и клавиатуры не менее 750мм (ширина обеих поверхностей должны быть одинакова) и глубину не менее 550мм.

- Опору поверхности для ЭВМ и для клавиатуры на стояк, в котором должны находиться провода электропитания и кабель локальной сети. Основание стояка следует совмещать с подставкой для ног.

- Отсутствие ящиков.

- Увеличение ширины поверхностей до 1200мм при оснащении работающему с ЭВМ и высота пространства для него должны соответствовать росту студентов в обуви. При наличии высокого стола и стула, не регулируемой по высоте подставкой для ног. Уровень глаз при вертикально расположенном экране ВДТ должен приходиться на центр или 2/3 высоты экрана. Линия взора перпендикулярна центру экрана, и оптимальное ее отклонение от перпендикуляра, проходящего через центр экрана в вертикальной плоскости, не должно превышать плюс-минус 5 градусов.

В случаях производственной необходимости эксплуатация ЭВМ в помещениях без естественного освещения может проводиться только по согласованию с органами и учреждениями Государственного санитарно-эпидемиологического надзора. Площадь на одно рабочее место с ЭВМ во всех учебных учреждениях должна быть не менее 4,5 квадратных метров, а объем не менее 24,0 кубических метров.

Для внутренней отделки интерьера помещений с ЭВМ должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7-0,8, для стен - 0,5-0,6, для полна - 0,3-0,5. В дошкольных и всех учебных учреждениях, включая вузы, запрещается для отделки внутреннего интерьера помещений с ЭВМ применять полимерные материалы (древесностружечные плиты, слоистый бумажный пластик, синтетические ковровые покрытия и др.), выделяющие в воздух вредные химические вещества. Поверхность пола в помещениях эксплуатации ЭВМ должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами. В помещениях с ЭВМ ежедневно должны производиться влажная уборка. Помещения с ЭВМ должны быть оснащены аптечкой первой медицинской помощи и углекислотными огнетушителями.

3.3 Требования к микроклимату

На функциональную деятельность, самочувствие и здоровье человека влияют многие микроклиматические параметры окружающей среды, а также они влияют и на надежность работы средств вычислительной техники.

Особенно большое влияние на микроклимат оказывают источники теплоты, находящиеся в помещении. Основными источниками теплоты в дисплейных залах являются: ЭВМ, приборы освещения, обслуживающий персонал. Средняя величина тепловыделений составляет 310 Вт/мм. Удельная величина тепеловыделений от приборов освещения составляет 35-36 Вт/мм. Количество теплоты от обслуживающего персонала невелико и зависит от числа работающих в помещении и интенсивности работы, выполняемой человеком, кроме того, на суммарные тепловыделения оказывают влияние внешние источники поступлений теплоты. К ним относят теплоту, поступающую через окна от солнечной радиации, приток теплоты через непрозрачные ограждающие конструкции.

С целью создания нормальных условий для операторов ЭВМ установлены нормы микроклимата (ГОСТ 12.1.005-88). Эти нормы устанавливают оптимальные и допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в дисплейных помещениях с учетом избытков явной теплоты, тяжести выполняемой работы и сезонов года.

Для повышения влажности воздуха в помещениях с ЭВМ следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой. Помещения с ЭВМ перед началом и после каждого академического часа учебных занятий должны быть повторены, что обеспечивает улучшение качественного состава воздуха, в том числе и аэроионный режим. Содержание вредных химических веществ в воздухе помещений использования ЭВМ во всех учебных заведениях не должно превышать среднесуточных концентраций для атмосферного воздуха. Запрещается проводить ремонт ЭВМ непосредственно в рабочих и учебных помещениях.

Особое внимание стоит обратить на влияние относительной влажности воздуха, так как при влажности воздуха до 40% становится хрупкой основа магнитной ленты, повышается износ магнитных головок, возникает статическое электричество при движении носителей информации в ЭВМ. При относительной влажности воздуха более 75-80% снижается сопротивление изоляции, изменяются рабочие характеристики элементов ЭВМ. Стоит обратить внимание на скорость движения воздуха, так как она играет не последнюю роль в функциональной деятельности человека и работу высокоскоростных устройств печати. Большое влияние на здоровье и самочувствие операторов ЭВМ, а также на работу устройств ЭВМ (магнитные диски, печатающие устройства) оказывает запыленность окружающего воздушного пространства.

Для создания нормальных условий работы для операторов ЭВМ были установлены нормы микроклимата. Этими нормами устанавливаются оптимальные и допустимые значения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в дисплейных помещениях с учетом избытков явной теплоты, тяжести выполняемой работы и сезонов года.

Под оптимальными микроклиматическими параметрами принято понимать такие, которые при длительном систематическом воздействии на человека обеспечивают сохранения нормального функционального и теплового состояния организма без напряжения реакций терморегуляции, создают ощущения теплового комфорта и являются предпосылкой высокого уровня работоспособности. В помещениях с ЭВМ в высших учебных заведениях должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата. Оптимальные нормы микроклимата для помещении с ЭВМ отражены в таблице 3.1

Таблица 3.1- Оптимальные нормы микроклимата для помещений с ЭВМ

Оптимальные параметры	Допустимые параметры
Температура,	Относительная влажность, %	Температура,	Относительная влажность, %
19	62	18	39
20	58	20	35
21	55	22	31

Скорость движения воздуха - не более 0,1 м/с.

3.4 Требования к освещению

Повышение производительности труда, положительного психологического воздействия, высокой работоспособности можно добиться при правильном проектировании и расположении освещения. О влажности вопроса освещения для дисплейных залов говорит тот факт, что основной объем информации (около 90%) оператор получает по зрительному каналу. К системам освещения предъявляют следующие требования:

- Соответствие уровня освещенности рабочих мест характеру выполняемой работы;

- Достаточно равномерное распределение яркости на рабочих поверхностях и в окружающем пространстве:

- Отсутствие резких теней, прямого и отраженного блеска;

- Оптимальная направленность излучаемого осветительными приборами светового потока;

- Долговечность, экономичность, электро- и пожаробезопасность, эстетичность, удобство и простота эксплуатации.

Искусственное освещение в помещениях эксплуатации ЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В производственных и административно-общественных помещениях, в случаях преимущественной работы с документами, допускается применение системы комбинированного освещения (к общему освещению дополнительно устанавливаются светильники местного освещения, предназначенные для освещения зоны расположения документов).

Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300-500 лк. Допускается установка светильников местного освещения для подсветки документов. Местное освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана и увеличивать освещенность экрана более 300 лк.

3.5 Требования к шуму

При выполнении основной работы на ЭВМ уровень шума на рабочем месте не должен превышать 50 дБА. Шумящее оборудование (АЦПУ, принтеры и т.п.), уровни шума которого превышают нормированные, должно находиться вне помещения с ЭВМ.

Снизить уровень шума в помещениях с ЭВМ можно использованием звукопоглощающих материалов с максимальными коэффициентами звукопоглощения в области частот 63 - 8000 Гц для отделки помещений (разрешенных органами и учреждениями Госсанэпиднадзора России), подтвержденных специальными акустическими расчетами.

Дополнительным звукопоглощением служат однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен и подвешенные в складку на расстоянии 15-20 см от ограждения. Ширина занавеси должна быть в 2 раза больше ширины окна.

3.6 Электробезопасность при работе с ЭВМ

ЭВМ являются потенциальными источниками опасности поражения человека электрическим током. Данная опасность может возникнуть, в первую очередь, при нарушении правил подключения ПЭВМ к питающей сети.

В соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» помещения, где размещаются рабочие места с ЭВМ, должны быть оборудованы защитным заземлением (занулением) в соответствии с техническими требованиями по эксплуатации электроустановок и вычислительной техники. Рабочие места с ЭВМ не следует размещать вблизи силовых кабелей и вводов, высоковольтных трансформаторов, технологического оборудования, создающего помехи в работе ЭВМ.

Поскольку непосредственно на ЭВМ должно подаваться стабилизированное электропитание (с отклонением от 220 В не более --10 % +15 %), подачу электроэнергии в компьютерные помещения следует осуществлять от отдельного независимого источника питания.