IoT cihazları giderek daha popüler hale geliyor ve her gün benzersiz yaratıcı şekillerde uygulanıyor. Açık kaynaklı yazılımların çekiciliği, güvenli kablosuz veri aktarımı ve uygulamaların sonsuz yetenekleri ile çekicilikleri açıktır. Teknoloji ilerledikçe, düşük güçte veri toplama uygulamaları her gün daha fazla keşfediliyor. Bununla birlikte, IoT cihazlarında karşılaşılan yaygın bir sorun, onlara güç sağlayan pilin kısa çalışma ömrüdür.
Bu senaryo, güç yönetimi devreleri ile entegre enerji hasadının faydalarını gösterdi ve sistemdeki CBC’nin etkinliğini vurguladı. CBC süper kapasitörleriyle; enerji toplama teknolojisinden yararlanıp, veri iletimi için en yüksek güç gereksinimlerinizi karşılayabilirsiniz. Bu yazımızda sadece olası bir senaryodan bahsettik, bu sistemlerden yararlanılabilecek çok sayıda başka senaryolar vardır. Çalışma ömrü gereksinimlerinin karşılanması için ışık mevcut olduğunda pil üzerindeki yükü azaltmak için, CBC süper kapasitörlerini kullanarak, pille çalışan IoT planlarınızı ve tarım hedeflerini gerçekleştirebilirsiniz.
Pille çalışan IoT cihazı kullanırken, maliyetli değiştirmelerden kaçınmak için gereken bakım miktarını en aza indirmek ve çalışma ömrünü en üst düzeye çıkarmak önemlidir. Pillerin ömürleri göz önüne alındığında bunu zordur. Piller üzerindeki yükü önemli ölçüde azaltmak için; süper kapasitörlerle enerji toplama teknolojileri ve iç mekân güneş pilleri gibi enerji toplama çözümlerinin popülaritesi artıyor. Bunun nedeni, süper kapasitörlerin çok küçük akım seviyeleriyle şarj etmede mükemmel olmaları, yüksek çevrim ömrüne sahip olmaları ve pilleri hızlı şarj edebilmeleri için, büyük miktarlarda akım iletebilmeleridir.
IoT Senaryosu
Akıllı şehir oluşumlarında Endüstri 4.0 ve IoT cihazların payı oldukça büyük. Bir şehirde hava sıcaklığını izlemek için, şehir genelinde belirli kavşaklara IoT cihazları kurulması için temel gereksinimler şunlardır:
- Şehir altyapısında değişiklik
- Göze batmayan sensörler ve muhafazalar olmalıdır
- Gündüz ve gece boyunca saatlik sıcaklık okumaları
- Hücresel ağ üzerinden her üç saatte bir veri aktarımı
- Bakım gerektirmeyen, hedeflenen 10 yıllık çalışma ömrü
Bu örnek senaryodaki sistem 3.3V gerektirir ve uyku, okuma ve iletme olmak üzere üç çalışma moduna sahiptir. Sistem öncelikle çok az enerji veya gücün gerekli olduğu uyku modunda çalışacaktır. Okuma modu, sensörün sıcaklığı kaydedeceği ve bu verileri bellekte sakladığı her saat 60 saniye boyunca çalışacaktır. Son olarak sistem, verilerini (hava sıcaklığı okumalarını) her üç saatte bir 0,5 saniye boyunca alıcısına iletecektir.
Pil
Bu tasarıma güç sağlamak için yalnızca bir pil kullanmak, tasarım sadeliği açısından gidilecek en kolay yoldur, ancak gereksinimleri karşılamayacaktır. Pil, sistemi bakım gerektirmeden 10 yıl boyunca çalıştırmak için yeterli enerjiyi depolayacak kadar büyük olmalı ya da düzenli olarak daha küçük pillerin değiştirilmesini gerektirecektir.
Güneş + Pil + Süper Kapasitör
Bu hibrit tasarım, her bileşenin en iyi yaptığı ve yapmak için tasarlandığı şeyi yapmasına olanak tanır. Güneş pilleri, cihaza güç sağlamak ve enerji depolama sistemlerini şarj etmek için gün boyunca enerji sağlar. Süper kapasitörler bir beygir görevi görür ve sistem için en yüksek güç gereksinimlerini karşılar. Piller gece de olsa enerji sağlar.
Bu yaklaşımla belirlenen tüm gereksinimler karşılanabilmektedir. IoT ürünlerinde genellikle alan kısıtlamaları vardır, bu da pilleri ve süper kapasitörleri kullanmak için alan bulmayı zorlaştırır.
Capacitech’in süper kapasitörü, Kablo Tabanlı Kapasitör (CBC), kablo benzeri ve esnek bir enerji depolama cihazıdır. Mühendislerin, olumsuz değiş tokuşlardan endişe duymadan tasarımlarına süper kapasitörler eklemelerine yardımcı olmak için tasarlanmıştır. Form faktöründen yararlanan CBC, mühendislere, alanın önemli olduğu baskılı devre kartıyla sınırlı kalmayarak, IoT tasarımlarına süper kapasitörler eklemek için alan bulabilmeleri için bir yerleştirme avantajı sunar.
Bileşenleri Seçme
PowerFilm’in MP3-37 esnek güneş panelini seçilerek kurulacak bu sistemde şunlar bulunur:
- Hasat Gücü: 150mW
- Çalışma Gerilimi: 0V
- Akım: 50mA
- Ortalama Açık Devre Voltajı: 1V
- Maksimum Açık Devre Voltajı: 6V
- Kısa Devre Akımı: 63mA
CBC’leri şarj etmek ve cihazı uyku modunda çalıştırmak için <300mW güç sağlamak için iki güneş pili paralel olarak bağlanır. Bu tasarımda güneş pilleri gün boyunca güç sağlar, ancak cihazı okuma modunda çalıştırmak veya veri iletimi için 750mA’lık tepe güç gereksinimlerini karşılamak için yeterli güç sağlamadığından, güneş pillerini tamamlamak için CBC’ler kullanılır.
Capacitech’in CBC süper kapasitörünün bir hücresi şunları içerir:
- Kapasite: 3F
- Anma Gerilimi: 6V
- Nominal Maksimum Şarj/Deşarj Akımı: 25A
1,6V’de, tek bir CBC hücresi gerekli çalışma voltajının altına düşer. Enerji toplama güç yönetimi devresinin CBC’yi 4,5V’a şarj etmesi gerekir. Bu koşulu sağlayan bir düzenleme oluşturmak için, bağlı CBC’lerin anma gerilimi 4,5V’tan büyük olacak şekilde üç ünite CBC seri olarak bağlanır.
V = (1,6)*(serideki hücre sayısı)
V = (1,6)*(3) = 4,8V
Serideki üç CBC’nin eşdeğer kapasitansı:
Güç yönetim cihazı, CBC’yi 4,5V ile şarj edecek ve deşarjını 3,6V ile sınırlayacaktır. Yani CBC’lerde depolanan enerji:
4.5V’a şarj edilmiş bir 1F süper kapasitör, iletim modu için gereken 750mA’yı yaklaşık olarak ne kadar süreyle sağlayabileceğini de hesaplayabiliriz.
İletim modunun 0,5 saniyeliğine 2.475W çektiğini düşünürsek, yaklaşık olarak 0,353mWh gerektirir. Bu nedenle, 1F ve 4.8V derecesine sahip seri bağlı üç CBC, veri iletimini güçlendirmek için yeterlidir. Buradaki CBC süper kapasitörleri, gün boyunca güneş pillerini tamamlamak ve pili yüksek deşarj oranlarına zarar vermekten korumak için kullanılır. Ayrıca, CBC’lerin bu konfigürasyonu, düşük ışıklı zaman dilimlerinde (gün doğumu, gün batımı veya gölge altında) bile hızlı bir şekilde şarj olmalarını sağlayacaktır.
