Opas IoT- ja IIoT-virtalähteiden valintaan ja käyttöön

Esineiden internetin (IoT) ja teollisen esineiden internetin (IIoT) tarpeisiin suunnitellut laitteet ovat monipuolisia, mutta ne kaikki tarvitsevat jonkinlaisen virtalähteen voidakseen ottaa dataa vastaan, käsitellä sitä ja siirtää tietoja. IoT-laitteiden toimintojen ja toimintaympäristöjen monipuolisuuden vuoksi niissä käytetään monia erilaisia ensisijaisia virtalähteitä, sähköjohdoista aina akkuihin ja aurinkokennoihin.

Sisäisen virtalähteen valintaan vaikuttaa myös laaja valikoima toimintoja ja toimintatiloja, kuten jatkuva toiminta kuuntelua varten tai valmiustila, jossa pyritään reagoimaan syötteeseen nopeasti. Tavoitteena on maksimoida tehokkuus, pitää fyysinen koko pienenä ja maksimoida sovelluksen tehotiheys ilman, että on tarpeen tinkiä suorituskyvystä tai järjestää monimutkaista jäähdytystä, mikä kasvattaa laitteen kokoa, painoa ja hintaa. Toinen huomioitava seikka on käyttäjäturvallisuus, josta ei voida tinkiä.

Tässä artikkelissa kerrotaan IoT-laitteissa käytetyistä erilaisista virtalähteistä sekä tutustutaan RECOM Powerin valmistamiin tuotteisiin, jotka on suunniteltu täyttämään nämä vaatimukset.

Verkkovirtaa käyttävät virtalähteet

Verkkovirtaa käyttävillä IoT- ja IIoT-laitteilla on yleensä vähemmän tehorajoituksia kuin kannettavilla laitteilla. Verkkovirrasta saadaan yleensä vakiojännite sekä riittävä virtamäärä. Muissa virtalähteissä, kuten aurinkokennoissa, voi olla suuria jännite- ja virtatason vaihteluita riippuen valaistuksen määrästä sekä käytetystä jännitteen säätelystä. IoT- tai IIoT-laitteiden tehovaatimusten tulee olla joustavia, jotta ne voivat toimia normaalisti syöttötehon mahdollisesti vaihdellessa.

Yksi virtalähteiden valmistaja, RECOM Power, on suunnitellut malliston erittäin kompakteja ja täysin koteloituja 5 watin virtalähteitä, eli RAC05-K-sarjan AC/DC-moduulit. Nämä vastaavat IoT- ja IIoT-sovellusten tulojännitteen joustavuutta koskeviin vaatimuksiin.

Nämä virtalähdemoduulit toimivat 85–264 voltin vaihtovirralla (47–63 hertsiä (Hz)) tai 120–370 voltin tasavirralla. Lähes universaalin tulojännitteen ansiosta ne soveltuvat sekä koti- että teollisuuskäyttöön kaikkialla maailmassa. Tätä korostaa entisestään virtalähteiden toimintalämpötila-alue: RAC05-K-mallisto tarjoaa täyden tehon -25 – +50 °C:n lämpötiloissa ja se toimii alennetulla teholla +50 – +70 °C:n lämpötiloissa.

Malliston eri mallien lähtöjännite on kiinteä, joko 3,3, 5, 12, 15 tai 24 volttia. 5 voltin RAC05-05SK vie piirilevyltä 25,4 × 25,4 millimetriä (1 × 1 tuumaa), ja sen korkeus on 16,5 mm (0,65 tuumaa). Koska moduulin lähtöteho on 5 wattia, tehotiheys on kiitettävät 7,7 wattia kuutiotuumaa kohti (kuva 1).

Kuva 1: RECOM RAC05-05SK -tehomoduuli tuottaa 5 watin tehon 1 × 1 × 0,65 tuuman ulkomitoilla, jolloin tehotiheys on 7,7 wattia kuutiotuumaa kohti. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Näiden virtalähteiden hyötysuhde on yli 80 %, ja ilman kuormaa ne kuluttavat vain 75 milliwattia (mW). Tämän yhdistelmän ansiosta ne sopivat jatkuvatoimisiin IoT/IIoT-laitteisiin, joissa korkea hyötysuhde ja matala sisäinen energiahävikki pitää laitteet viileinä.

Turvallisuus on RAC05-K-mallistossa huomioitu integroitujen sulakkeiden sekä ylijännite- ja oikosulkusuojauksen ansiosta. Ne noudattavat IEC60950-1- ja UL62368-1-turvallisuusstandardeja ja täyttävät EN55032:n luokan B EMC-rajat ilman mitään ulkoisia komponentteja.

Suuri syöttöjännitealue, pieni koko, turvallisuuden huomioiminen ja laaja toimintalämpötila-alue yhdessä tekevät näistä virtalähteistä ideaalisia moniin verkkovirtaa käyttäviin IoT- ja IIoT-sovelluksiin.

Teolliset virtalähteet

Teollisissa ympäristöissä vaaditaan usein erikoisvirtalähteitä, sillä laitteet joutuvat toimimaan vaativissa olosuhteissa. Eräs tällainen mallisto koostuu RECOM R1SX -sarjan DC/DC-muuttajista, joiden toimintalämpötila-alue ilman tehon alennusta on -40 – +100 °C. Tämä lämpötila-alue riittää useimpiin teollisuusolosuhteisiin. Esimerkki malliston laitteesta on R1SX-3.305-R, 1 watin DC/DC-boost-muunnin, jonka ottaa vastaan 3,3 voltin tulosignaalin ja nostaa sen 5 voltin lähdöksi.

Nämä muuntimet on myös DC-eristetty 1 kilovolttiin (kV)/1 sekunti, ja saatavana on valinnainen 3 kV/1 s:n luokitus. Eristys on tärkeää teollisissa ympäristöissä, joissa maasilmukoita ja sähköistä kohinaa esiintyy yleisesti. Tulon ja lähdön eristäminen auttaa katkaisemaan nämä maasilmukat ja minimoi kohinan etenemisen. R1SX-3.3-5-DC/DC-muunninta voidaan käyttää tukemaan eristettyjä datarajapintoja, joissa tarvitaan tason vaihtoa (kuva 2).

Kuva 2: Datarajapinnan eristykseen vaaditaan paitsi digitaalinen eristin, myös eristetyt virtalähteet. Tämä piiri käyttää 3,3 volttia eristimen primääripuolella ja 5 volttia sekundääripuolella, jolloin saavutetaan logiikkatason vaihto ja säilytetään samalla galvaaninen erotus. (Kuvan lähde: RECOM Power)

DC/DC-virtalähteet kannettaviin laitteisiin

Kannettavissa ja paristokäyttöisissä IoT- tai IIoT-laitteissa vaaditaan pientä kokoa ja alhaista tehohäviötä. Tavoite on pidentää pariston kestoaikaa mahdollisimman paljon, jotta voidaan vähentää odottamattomia käyttökatkoja sekä vähentää työmäärää, joka vaaditaan paristojen vaihtamiseen monissa laitteissa. Tällaisissa laitteissa tärkeää on kyky asettaa virtalähde lepo- tai valmiustilaan kun sitä ei tarvita, korkea hyötysuhde sekä laaja tulojännitealue, jolla voidaan reagoida paristojännitteen laskuun käyttöiän lopussa.

RECOM R-78S -mallisto on esimerkki DC/DC-muuntimista, joiden tekniset tiedot vastaavat kannettavien IoT-laitteiden vaatimuksia. Yksi malliston laite, R-78S3.3-0.1, on suunniteltu tuottamaan 3,3 volttia yhdestä 1,5 voltin AA-paristosta. Mallistossa on myös laitteita, joiden lähtöjännite on 1,8, 3,3 ja 3,6 volttia on tarkoitettu tarjoamaan yksikennoisesta paristosta käyttöjännite monille erilaisille mikroprosessoreille ja kontrollereille. Kaikki laitteet toimivat 3,15–0,65 voltin syöttöjännitealueella, jolloin paristosta saadaan ulos viimeinenkin milliwatti tehoa. Tämän tehomuuttajan tyypillinen hyötysuhde on korkea, 93 %, mikä minimoi tehohäviön. Se voidaan asettaa valmiustilaan, jossa virran kulutus on vain 7 mikroampeeria (µA). Korkean hyötysuhteen, valmiustilan ja laajan syöttöjännitealueen ansiosta tämä tehomuunnin sopii erinomaisesti kannettaviin, langattomiin IoT-laitteisiin (kuva 3).

Kuva 3: Esimerkki sammutustilan käytöstä pariston kestoiän pidentämiseen langattomassa sovelluksessa. 2100 milliampeeritunnin (mAh) AA-kenno voi syöttää 7 µA usean vuosikymmenen ajan. (Kuvan lähde: RECOM Power, muokannut Art Pini)

R-78S-mallistolla on myös laaja -40 – +100 °C:n toimintalämpötila-alue, joten sitä voidaan käyttää myös kannettavissa laitteissa, jotka jäävät autoon äärimmäisissä sääolosuhteissa.

Kuvan 3 esimerkissä näkyy valmius- tai lepotila, jonka aikana järjestelmä kuluttaa vain 20 mikrowattia (µW). Tässä tilassa kondensaattorin jännite, jota kuvaa sininen raita, vähenee ajan myötä 3,3 voltin täydestä varauksesta vastusten R1 ja R2 määrittämään raja-arvoon, jolloin mikroprosessori lähettää muuntimelle herätyssignaalin. Järjestelmä kuluttaa vain 200 µA muuntimen toimiessa aktiivisessa tilassa, jolloin kondensaattori varataan seuraavaa sykliä varten. Tehonkulutus on suhteessa siihen, miten paljon laite toimii aktiivisessa tilassa tai lepotilassa.

RECOM R-78S -muunninten kyky toimia alhaisella syöttöjännitteellä on erinomainen ominaisuus IoT- ja IIoT-sovelluksiin, jotka toimivat kerätyllä energialla. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi nostamaan aurinkokennojen tai lämpösähköisten generaattorien (TEG) lähtöjännitettä siten, että niitä voidaan käyttää 3,3 voltin ladattavan kennon lataamiseen (kuva 4).

Kuva 4: Kaaviossa näytetään, miten R-78S3.6-0.1 toimii boost-muuntimena, joka ottaa matalajännitteisen tulon aurinkokennosta tai TEG:stä ja nostaa sen 3,6 volttiin, jolloin diodin kautta voidaan varata 3,3 voltin ladattavaa kennoa. Lataus voi käynnistyä jopa 0,65 voltin syöttöjännitteillä. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Korkeampaa lähtöjännitettä (3,6 vs. 3,3 volttia) vaaditaan, jotta kennoa voidaan varata diodin läpi. Diodi estää täysin varattua akkua käyttämästä muuntimen lähtöä. Nämä muuntimet on myös suojattu oikosulkua ja ylikuumenemista vastaan, jotta ne toimivat luotettavasti.

R-78S3.3-0.1:n referenssimallit ja arviointialustat

Referenssimalleista on hyötyä määritettäessä sitä, vastaako komponentti suunnittelun tarpeisiin. R-78S-DC/DC-muunninten tapauksessa ne tarjoavat konkreettisen tavan arvioida laitetta (kuva 5).

Kuva 5: RECOM R-78S -sarjan DC/DC-muunninten referenssimallissa näkyy, miten pieni laite on verrattuna normaaliin AA-kennoparistoon. Tämä referenssimallin piirilevy voidaan sisällyttää prototyyppeihin. (Kuvan lähde: RECOM Power, muokannut Art Pini)

RECOM R-REF02-78S -referenssimalli on saatavana täytettynä piirilevynä, jossa 0,100 tuuman piirilevyliittimet ja kiinnitysreiät helpottavat asennusta arviointiprototyyppeihin. Muuntimen käyttöönottonasta on tuotu piirilevyliittimeen helpottamaan muuntimen lepotilan arviointia.

Vaativampaa testausta varten RECOM tarjoaa myös R-78S3.3-0.1-EVM-1-arviointialustaan, jossa piirilevyliittimille on tuotu referenssimallia useampia testipisteitä (kuva 6).

Kuva 6: RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1 -arviointialustan piirikaaviossa näkyy enemmän testipisteitä sekä USB-portti, jonka kautta tiedonsiirto laitteen kanssa on mahdollista. (Kuvan lähde: RECOM Power)

Arviointialusta sisältää kaikki referenssimallin elementit, mutta parantaa pääsyä muuntimen tulo- ja lähtöliitäntöihin. Ylimääräiset hyppyjohdot ja piirilevyliittimet on tarkoitettu mahdollistamaan erilaisia mittauksia ja määrittämään laitteen parametreja. Mukana on USB-portti, joka on tarkoitettu kortin ulkopuolisten esittelyvirtapiirien virransyöttöön.

Yhteenveto

IoT- ja IIoT-sovelluksille voidaan syöttää virtaa monin eri tavoin, kuten käyttämällä verkkovirtaa, paristoilla tai keräämällä energiaa. Sovellus määrittää osaltaan virtalähteen vaatimukset. Suunnittelijat tarvitsevat monipuolisia virtalähteitä varmistamaan, että laitteet toimivat monissa eri tilanteissa. Laajan syöttöjännitealueen, hyvän hyötysuhteen, pienen koon sekä vähävirtaisen valmiustilan ansiosta yllä esitellyt RECOM-tehomuuntimet sopivat erinomaisesti IoT- ja IIoT-tuotteiden energianlähteiksi.