Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Disertační práce se zabývá problematikou zpracování energie z alternativních zdrojů pomocí tzv. "Energy harvestingu". Řeší aktuální problém s napájením autonomních senzorických sítí, kdy u těžko dostupných zařízení nelze provádět výměnu primárního napájecího zdroje. V takových případech je třeba získávat energii z vnějších zdrojů, např. tepla, světla, pohybu apod. Navrhované řešení nachází uplatnění především v oblasti medicínských aplikací, zvláště u implantovaných zařízení (kochleární implantáty, kardiostimulátory, inzulinové pumpy atd.), ale také u systémů pro dlouhodobé monitorování zdravotního stavu pacienta. V práci byl zpracován aktuální stav problematiky nízkopříkonových senzorických systémů a přehled aktuálních možností alternativního napájení v souvislosti s těmito systémy. Z rešerše vyplynulo, že současné senzorické systémy jsou téměř připraveny pro implementaci malovýkonových zdrojů čerpajících energii z okolního prostředí ("Energy harvesting" zdrojů). Ty jsou vyvíjeny mnoha zahraničními vědeckými týmy, avšak existuje pouze několik variant zapojení následných obvodů pro efektivní čerpání, uchování a zpracování energie z těchto zdrojů, což nabízí široký prostor pro další možný výzkum. Problematika redistribuce energie z malovýkonových generátorů je v práci řešena na komplexní úrovni. Pro tyto účely byl vypracován a diskutován nový simulační model vybraného rozsáhlého senzorického systému (plně implantovatelné umělé kochley) v prostředí SPICE. S jeho využitím bylo navrženo několik nových přístupů pro řešení napájení (především technika protlačení náboje, tzv. "Charge Push Through"), které jsou aplikovatelné na většinu obecných typů senzorických systémů. Díky tomu bude v budoucnu umožněna praktická realizace senzorických systémů využívajících energii čerpanou z okolního prostředí.Dissertation thesis is focused on using alternative energy sources called energy harvesting. This thesis offers a solution to problems with autonomous powering of sensor networks if primary power source recovery is impossible. In these cases, energy of the external power (e.g. temperature, light, motion) should be used. Proposed solution should be especially used in the field of medical applications (e.g. cochlear implants, pacemakers, insulin pumps). Long time monitoring of the personal health status is also possible when employing automated sensor systems. In this work, there is state of art review relating to the low power energy sources for an alternative powering of sensor systems. It was observed that existing systems are almost prepared for the implementation of energy harvesting power sources. The energy harvesting power sources have been developed by numerous researcher teams around the world, but there are only a few variants of power management circuits for effective energy gaining, storing and using. This area has a huge potential for the next research. The issues regarding to the distribution of gained energy are solved on the complex level in the thesis. For these purposes, a new simulation model of the whole system (fully implantable artificial cochlea) including its subcircuits was developed in the SPICE environment. It connects independent subcircuits into a single comprehensive model. Using this model, a few novel principles for energy distribution (e.g. Charge Push Through technique) was developed. In the near future, these techniques are also applicable to the design of versatile sensor systems.
