傳感器在 “物聯網”中的生命故事

作者/Bianca Aichinger RECOM Power GmbH產品營銷經理，Axel Stangl 儒卓力電源產品銷售經理

　　在物聯網 (IoT)中需要大量的傳感器來確保各項操作順利運行，包括測量和記錄溫度、亮度、移動以及許多其它參數，并且傳送數據至智能控制設備。不過，傳感器也需要電力。

　　雖然傳感器所需要的功率不太多，但若沒有電力便無法工作。因此，要確保電池供電傳感器保持運行多年而無需維護，便成為了一個難題。如何能夠顯著延長電池的使用壽命呢?如何能夠從4至20 mA回路提取三倍電流呢?

　　隨著工業4.0的到來，網絡物理系統、物聯網(IoT)和云計算進入了現代化工廠中。網絡物理系統在此作為集成式通信網絡運作，進行決策并采取行動，同時與其它系統以及人類進行實時溝通。技術快速進步的一個主要原因是所有類型傳感器的價格下降。僅僅在十年之前，傳感器技術還僅用于高度專業化應用，然而，今天的傳感器早已成為了大量使用的普及產品。

　　這一發展使得網絡中可以集成越來越多的設備，從而結合、處理和交換更大量的數據。然而，所有這些傳感器都有一個共通點，就是必須獲得電流，不論是中央或近端電源還是電池。

　1 3 V紐扣電池的神話

　　許多IoT和工業 4.0應用使用3 V紐扣電池運作，這不僅便宜，還非常可靠。缺點在于這些電池必需頻密更換。一個完全充電的CR2032紐扣電池提供大約3.2 V電壓。僅僅運作幾個小時之后，電壓便會降低至3 V以下。這可能不足以支持某些無線模塊，比如WLAN、藍牙，以及LoRaWAN，傳輸可能變得不可靠，或者信令范圍可能突然縮減。

　　2使用開關穩壓器來延長電池的使用壽命

　　來自RECOM的R-78S升壓開關穩壓器(圖1)是專為由電池供電的IoT應用而開發的。這些易于安裝的即插即用模塊可從低至0.65 VDC 至 3.15 VDC的輸入電壓提供穩定的3.3 V輸出電壓，從電池單元中擠出最后一點功率。R-78S確保用戶的微處理器、WLAN/藍牙模塊，以及IoT系統能夠通過單一1.5 V電池或可充電電池來運行，而這些電池具有遠遠超過傳統紐扣電池的使用壽命。

　　圖1 R-78S升壓開關穩壓器(來源：Recom)

　　圖2所示為R-78S在無線模塊中的典型應用，這個電路僅會在短時間內運作以發送數據，在運作期間，整個電路消耗大約600 μW電能。在不發送數據時，電路處于睡眠模式。在睡眠時，R-78S由一個緩沖電容器供電，僅僅消耗7 μA電流。如果電容器電荷降低至某個限度以下，電路將被短暫激活并進行充電。這項技術可確保可靠運行10年或以上而無需維護。由于轉換器價格便宜，而且電池和維護成本降低了很多，使得這些額外的投資很快就會收回成本。

　　圖2 通過在電路中集成一個緩沖電容器，R-78S可以設置為睡眠模式(來源：Recom)

　　3用于硬連線系統的解決方案

　　4至20 mA回路已經成為了無可爭議的處理和控制技術標準，盡管面市已有70多年，這項技術仍會繼續發揮重要的作用。這個系統適用于嚴苛的工業環境，因為電流信號不受普通工業干擾的影響。

　　這個系統基于相對簡單的兩線技術，信號作為外加電流傳輸。在這種情況下，4 mA 代表 0 %，而20 mA代表 100 %，使得這個系統具有固有的安全性，因為總是需要4 mA電流。

　　破損的電線或有故障的傳感器不再有電流流過，因而可以立即檢測到。而且，長電纜不會帶來問題，信號也可以在回路中的任意一個點讀取。借助于先進的數字技術，這個概念在未來仍然可以適用。在現代化的4至20 mA回路版本中，來自數個傳感器的數據通過DSP進行處理，并且經由單一模擬電纜，作為頻率調制的脈沖群進行發送。這可以通過兩個HART(高速可尋址遠程傳感器)調制解調器來實現，它將數字數據包疊加在發射器側的模擬信號上，并且在接收器端適當解耦(圖3)。這樣可以集成更多的傳感器而無需路由額外的回路電纜，也是HART技術現在成為了處理行業使用最多的數據協議的主要原因之一。它是使得4至20 mA在未來仍然可以適用的重要因素。

　　低于測量范圍的電流(<4 mA)可以用于電能生成，以期為傳感器等供電。

　　圖 3 使用一個 DSP和HART調制解調器(來源：Recom)

　　4為傳感器供電的電流接口

　　然而，雖然生成的電能對于一個模擬傳感器是充足的，但不足以滿足多個甚或智能傳感器 (帶有DSP和/或顯示器)——如果現場有合適的電源，就沒有問題。如果所供電的組件遠離控制臺，通常成本會相應地增加。

　　這就是傳統開關穩壓器IC不適用于這項任務的原因所在，它們在滿負荷下的高效率在超出4 mA閾值的較低負荷下就會下降。

　　睡眠模式下的低靜態電流也不能補償這些消耗，因為它完全關閉了主輸出電壓。線性穩壓器也不理想。盡管它們擁有非常理想的約為0.5 mA的低靜態電流，但與開關穩壓器相比，低效率將可用功率減少至大約三分之一。

　　在這方面，RECOM新開發的開關穩壓器R420-1.8/PL提供了聰明的解決方案。通過創新拓撲，它可以將閑置電流降低至0.5mA左右，同時仍然在輸出端保持額定電壓。例如：在輸入端為24 VDC 和 <3.5 mA，在輸出端提供3.3 V和10 mA，這樣便能夠為傳感器、微控制器和HART調制解調器供電，而不會影響回路功能或測量精度。

　　新開關穩壓器的另一項優勢是可以編程，只需使用電阻器進行簡單的連線，便能夠用于1.8 V 至5 V的任意輸出電壓。

　　5結論

　　物聯網中的許多傳感器需要創新的電源解決方案。

　　RECOM提供各式各樣智能解決方案，比如幫助節省電池功率的升壓開關穩壓器R-78S。此外，它從電池當中擠出最后的電能，因此，應用設備可以運行超過10年而無需維護。此外，久經考驗的4至20 mA回路等技術仍然非常適合在未來使用，這要感謝數字化技術。創新的開關穩壓器，比如RECOM的R420產品，可以在輸出端提供三倍的功率，幫助已經成熟的系統在未來繼續使用，以應對日后的挑戰。