Przegląd czujników o niskim poborze mocy

Czujniki stały się filarem nowoczesnej technologii, integralnym elementem prawie każdego urządzenia, obecnym w każdym sektorze przemysłu. Podczas gdy tradycyjne czujniki analogowe były często dużymi, energochłonnymi urządzeniami, nowoczesne czujniki cyfrowe są obecnie tak wszechobecne w urządzeniach, że często są to jedne z najmniejszych i najbardziej wydajnych komponentów, zazwyczaj charakteryzującymi się  niskim poborem mocy. Przyjrzyjmy się najpopularniejszym na rynku czujnikom o niskim i ultraniskim poborze mocy i ich najczęstszym zastosowaniom.

Czujniki prądu

Monitoring przepływu prądu może być cennym narzędziem do określania ogólnego stanu obwodu o niższej mocy oraz ogólnego zużycia energii przez system. Wykrywanie może również pomóc w minimalizowaniu zużycia energii przez urządzenie o niskim poborze mocy. W zastosowaniach wymagających bardzo niskiego zużycia energii, wykorzystanie czujnika prądu, który sam pobiera mało energii, może być niezbędne. Istnieje kilka metod pomiaru prądu, w zależności od aplikacji, napięcia i mierzonych prądów.

W przypadku aplikacji o bardzo niskim poborze mocy, takich jak np. zasilane bateryjnie w  urządzenia IoT, zalecamy wdrożenie metod wykrywania prądu po stronie niskiej [low-side current sensing metod, tj. pomiędzy układem a uziemieniem przyp.tłum.]. Tego typu konfiguracja najczęściej wykorzystuje specjalnie zaprojektowane wzmacniacze wykrywające prąd – na przykład wzmacniacz TI INA199. Ten wzmacniacz specjalnego przeznaczenia został specjalnie zaprojektowany do zastosowań związanych z wykrywaniem prądu, ponieważ ma wyjątkowo niski margines błędu w porównaniu ze wzmacniaczami operacyjnymi o podobnych możliwościach. Więcej o metodzie low-side znajdziecie w kolejnym artykule Arrow oraz nocie aplikacyjnej TI.

Czujniki radarowe

Technologia radarowa znacznie się rozwinęła się  od czasu jej wprowadzenia w latach 30-tych XX wieku. W szczególności, szybki rozwój tej technologii obserwuje w ciągu ostatnich 10 lat. Wraz ze wzrostem integracji mikrokontrolerów i specjalizacji w zastosowaniach radarowych, moduły radarów stają się coraz dokładniejsze i zużywają mniej energii. Idealnym przykładem czujnika radarowego o małej mocy jest BGT24LTR11 firmy Infineon, działający w technologii radarowej 24 Ghz. Jest to obecnie najmniejszy MMIC 24 Ghz na rynku. Czujniki radarowe o małej mocy są w dalszym ciągu idealnym rozwiązaniem do takich zastosowań takich jak wykrywanie kierunku ruchu oparte na technice dopplerowskiej, szacowanie prędkości czy pomiar odległości od obiektów.

Czujniki hallotronowe

Czujniki z efektem Halla to doskonałe narzędzie dla inżynierów-elektryków i mogą być używane w takich aplikacjach jak obwody sterujące lub obwody przełączające, gdy przełączniki mechaniczne nie mogą być używane ze względu na warunki środowiskowe. Ponieważ czujniki z efektem Halla działają na zasadzie wykrywania  pola magnetycznego, mogą być szczelnie osłonięte i zabezpieczone przed szkodliwymi czynnikami środowiskowymi, w przeciwieństwie do przełącznika mechanicznego. Niestety czujniki z efektem Halla wymagają zasilania, co może czynić z nich słabszą opcję w zastosowaniach, w których wymagane jest bardzo niskie zużycie energii.

Jednak istnieje kilka czujników z efektem Halla charakteryzujących się bardzo niskim zużyciem energii podczas pracy, na przykład czujniki hallotronowe z serii DRV firmy TI. Seria ta oferuje również wiele różnych typów czujników magnetycznych, w tym bipolarny, bipolarny zatrzaskowy, omnipolarny, ratiometryczny i unipolarny. Seria DRV została zoptymalizowana pod kątem zastosowań przemysłowych i motoryzacyjnych, dzięki czemu czujniki są wyjątkowo trwałe i z dużym marginesem spełniają wymagania takich aplikacji jak IoT. Czujniki te mogą pochwalić się różnymi poziomami minimalnej czułości wyzwalania czujnika magnetycznego, od -180Gs do 300Gs. Aby uzyskać więcej informacji na temat przemysłowych i samochodowych czujników hallotronowych, przeczytaj ten artykuł.

Czujniki temperatury

Czujniki temperatury stały się niezbędnym elementem niemal każdego urządzenia IoT, lecz także rozpowszechniły się w sektorze przemysłowym, motoryzacyjnym, rolniczym, a nawet mieszkaniowym. Uniwersalność i niezawodność nowoczesnych czujników temperatury wykracza daleko poza możliwości tradycyjnych czujników analogowych – przede wszystkim są one niezwykle dokładne. Jednak w wielu zastosowaniach, takich jak IoT Smart Agriculture, zużycie energii i niezawodność czujnika temperatury mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że ​​produkt będzie działał przez długi czas, przy jednoczesnym zachowaniu jego efektywności. STMicroelectronics oferuje czujnik temperatury o bardzo niskim poborze mocy w swojej serii STLM20. Ta seria zapewnia napięcie robocze od 2,4 do 5,5V, przy typowym maksymalnym natężeniu prądu 4,8 i 8,0 uA. Czujnik zapewnia dokładność temperatury +/- 0,5°C. Czujniki temperatury o niskim poborze mocy są idealne do smartfonów, przenośnych urządzeń IoT, a nawet urządzeń monitorujących RF.

Połączony czujnik pola magnetycznego i temperatury

Jeśli zależy Ci na bardzo niskim zużyciu energii, jakie można osiągnąć w przypadku czujnika magnetycznego (z efektem Halla), jak i na pomiarze temperatury, można rozważyć zastosowanie czujnika magnetycznego 3D TVL493D firmy Infineon.

Czujniki podczerwieni  

W systemach detekcji zbliżeniowej najczęściej stosuje się czujniki podczerwieni małej mocy. Niestety większość czujników podczerwieni wymaga użycia zarówno nadajnika, jak i odbiornika, co istotnie wpływa na zużycie energii przez układ. Ponadto, opisane wymaganie utrudnia aplikacje czujników podczerwieni do  wykrywania zbliżeniowego dalekiego zasięgu, jednak doskonale sprawdzają się one w wykrywaniu zbliżeniowym krótkiego zasięgu, tj. do ~50 cm. Na przykład Si1102 firmy Silicon Labs to wysokowydajny, jednoimpulsowy czujnik podczerwieni, który zapewnia bardzo niski pobór mocy. Si1102 jest niezwykle wszechstronny; można go zaimplementować w dowolnej aplikacji, w której dostępne jest napięcie 2,0-5,5V, przy jednoczesnym poborze prądu poniżej 10 uA.

Ponieważ zdalna elektronika i urządzenia IoT zasilane bateryjnie dotarły już do ​​niemal każdej dziedziny życia, niskoenergetyczne czujniki zyskały znaczną popularność. Ten wzrost popularności przyniósł ogromną falę innowacji różnych typów czujników, optymalizując w ten sposób zużycie energii, dokładność i opłacalność.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Arrow