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传感器在 “物联网”中的生命故事

created by Bianca Aichinger; Axel Stangl |   Asia Knowledge

在物联网 (IoT)中需要大量的传感器来确保各项操作顺利运行,包括测量和记录温度、亮度、移动以及许多其它参数,并且传送数据至智能控制设备。不过,传感器也需要电力。

 

虽然传感器所需要的功率不太多,但若没有电力便无法工作。因此,要确保电池供电传感器保持运行多年而无需维护,便成为了一个难题。如何能够显着延长电池的使用寿命呢?如何能够从4至20 mA回路提取三倍电流呢?

随着工业4.0的到来,网络物理系统、物联网(IoT)和云计算进入了现代化工厂中。网络物理系统在此作为集成式通信网络运作,进行决策并采取行动,同时与其它系统以及人类进行实时沟通。技术快速进步的一个主要原因是所有类型传感器的价格下降。仅仅在十年之前,传感器技术还仅用于高度专业化应用,然而,今天的传感器早已成为了大量使用的普及产品。

这一发展使得网络中可以集成越来越多的设备,从而结合、处理和交换更大量的数据。然而,所有这些传感器都有一个共通点,就是必须获得电流,不论是中央或近端电源还是电池。

3 V纽扣电池的神话

许多IoT和工业 4.0应用使用3 V纽扣电池运作,这不仅便宜,还非常可靠。缺点在于这些电池必需频密更换。一个完全充电的CR2032纽扣电池提供大约3.2 V电压。仅仅运作几个小时之后,电压便会降低至3 V以下。这可能不足以支持某些无线模块,比如WLAN、蓝牙,以及LoRaWAN,传输可能变得不可靠,或者信令范围可能突然缩减。

使用开关稳压器来延长电池的使用寿命

来自RECOM的R-78S升压开关稳压器(图1)是专为由电池供电的IoT应用而开发的。这些易于安装的即插即用模块可从低至0.65 VDC 至 3.15 VDC的输入电压提供稳定的3.3 V输出电压,从电池单元中挤出最后一点功率。R-78S确保用户的微处理器、WLAN/蓝牙模块,以及IoT系统能够通过单一1.5 V电池或可充电电池来运行,而这些电池具有远远超过传统纽扣电池的使用寿命。

图2所示为R-78S在无线模块中的典型应用,这个电路仅会在短时间内运作以发送数据,在运作期间,整个电路消耗大约600 μW电能。在不发送数据时,电路处于睡眠模式。在睡眠时,R-78S由一个缓冲电容器供电,仅仅消耗7 μA电流。如果电容器电荷降低至某个限度以下,电路将被短暂激活并进行充电。这项技术可确保可靠运行10年或以上而无需维护。由于转换器价格便宜,而且电池和维护成本降低了很多,使得这些额外的投资很快就会收回成本。

用于硬连线系统的解决方案

4至20 mA回路已经成为了无可争议的处理和控制技术标准,尽管面市已有70多年,这项技术仍会继续发挥重要的作用。这个系统适用于严苛的工业环境,因为电流信号不受普通工业干扰的影响。

这个系统基于相对简单的两线技术,信号作为外加电流传输。在这种情况下,4 mA代表 0%而20 mA代表100%,使得这个系统具有固有的安全性,因为总是需要4 mA电流。

破损的电线或有故障的传感器不再有电流流过,因而可以立即检测到。而且,长电缆不会带来问题,信号也可以在回路中的任意一个点读取。借助于先进的数字技术,这个概念在未来仍然可以适用。在现代化的4至20 mA回路版本中,来自数个传感器的数据通过DSP进行处理,并且经由单一模拟电缆,作为频率调制的脉冲群进行发送。这可以通过两个HART(高速可寻址远程传感器)调制解调器来实现,它将数字数据包叠加在发射器侧的模拟信号上,并且在接收器端适当解耦(图3)。这样可以集成更多的传感器而无需路由额外的回路电缆,也是HART技术现在成为了处理行业使用最多的数据协议的主要原因之一。它是使得4至20 mA在未来仍然可以适用的重要因素。

低于测量范围的电流(<4 mA)可以用于电能生成,以期为传感器等供电。

为传感器供电的电流接口

然而,虽然生成的电能对于一个模拟传感器是充足的,但不足以满足多个甚或智能传感器 (带有DSP和/或显示器)——如果现场有合适的电源,就没有问题。如果所供电的组件远离控制台,通常成本会相应地增加。

这就是传统开关稳压器IC不适用于这项任务的原因所在,它们在满负荷下的高效率在超出4 mA阈值的较低负荷下就会下降。

睡眠模式下的低静态电流也不能补偿这些消耗,因为它完全关闭了主输出电压。线性稳压器也不理想。尽管它们拥有非常理想的约为0.5 mA的低静态电流,但与开关稳压器相比,低效率将可用功率减少至大约三分之一。

在这方面,RECOM新开发的开关稳压器R420-1.8/PL提供了聪明的解决方案。通过创新拓扑,它可以将闲置电流降低至0.5mA左右,同时仍然在输出端保持额定电压。例如:在输入端为24 VDC 和 <3.5 mA,在输出端提供3.3 V和10 mA,这样便能够为传感器、微控制器和HART调制解调器供电,而不会影响回路功能或测量精度。

新开关稳压器的另一项优势是可以编程,只需使用电阻器进行简单的连线,便能够用于1.8 V 至5 V的任意输出电压。

结论

物联网中的许多传感器需要创新的电源解决方案。

RECOM提供各式各样智能解决方案,比如帮助节省电池功率的升压开关稳压器R-78S。此外,它从电池当中挤出最后的电能,因此,应用设备可以运行超过10年而无需维护。此外,久经考验的4至20 mA回路等技术仍然非常适合在未来使用,这要感谢数字化技术。创新的开关稳压器,比如RECOM的R420产品,可以在输出端提供三倍的功率,帮助已经成熟的系统在未来继续使用,以应对日后的挑战。