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domingo , enero 24 2021
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Alimentando el Internet de las Cosas… sin baterías

Gracias a los avances en las comunicaciones 4G/5G y las mejoras en la eficiencia energética de los dispositivos inteligentes, el Internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) pasará en breve a formar parte de nuestra vida cotidiana. A modo de indicación, IDC prevé que, en 2022, la inversión anual en tecnología del IoT en todo el mundo alcanzará 1,2billones de dólares (lo que supone el 13,6% de la TCAC, la tasa de crecimiento anual compuesta, de aquí a entonces). Además, MarketsandMarkets Research pronostica que, para 2023, habrá 17.200 millones de nodos y pasarelas IoT en funcionamiento. Sin embargo, para lograr un despliegue realmente universal del IoT, los nodos deberán ser capaces de funcionar sin interrupción en todas las ubicaciones potenciales, especialmente en las de difícil acceso. En este tipo de instalaciones, llevar a cabo un mantenimiento periódico puede resultar inviable (o, cuando menos, muy costoso), por no hablar de las reparaciones de emergencia. Además, la necesidad de cambiar la batería de miles de nodos, y la mano de obra necesaria para ello, será un obstáculo importante para la expansión del IoT. 

Conseguir lo máximo con los recursos a su disposición 

Actualmente se está estudiando a fondo la recolección de energía como el método más viable para suministrar energía a las aplicaciones del IoT de potencia ultrabaja. Esta consiste en aprovechar las posibles fuentes de energía que proporcionan los propios nodos y su entorno. Probablemente, la fuente de recolección de energía más popular sea la solar, que utiliza células fotovoltaicas (PV) para transformar la energía de la luz incidente en electricidad. Otras posibles fuentes de energía son las emisiones de radiofrecuencia (RF), la piezoelectricidad y la termoelectricidad. Ahora bien, estas fuentes proporcionan unas cantidades de energía muy bajas y tienden a ser irregulares, ya que dependen completamente de factores medioambientales. 

Las técnicas de producción de PV han progresado notablemente en materia de eficiencia y rentabilidad (p. ej. con la introducción de células que pueden imprimirse en material flexible para adaptarlas mejor a la superficie del dispositivo IoT correspondiente). No obstante, la industria sigue enfrentándose a una dificultad muy evidente, y es que los nodos solo pueden obtener energía de esta fuente durante la mitad del día. 

La capacidad de recolectar energía de RF del ambiente —obtenida de miles de millones de transmisores de radio, teléfonos móviles, estaciones difusoras de radio y televisión, etc., o alternativamente, de fuentes específicas (como la transferencia de energía a través de rectenas)— puede emplearse para la carga inalámbrica de dispositivos de baja potencia que funcionen con baterías. Mientras tanto, existe la perspectiva de que los recolectores termoeléctricos se utilicen para obtener energía de motores, motores de coches, bombillas, e incluso del cuerpo humano. También puede obtenerse energía de la vibración de elementos de maquinaria pesada, de la fuerza producida al cerrar puertas o de las rejillas del aire acondicionado de un edificio de oficinas aplicando un método piezoeléctrico. 

La elección de la tecnología de recolección de energía más adecuada depende del entorno en el que se encuentren los nodos IoT y, por eso, diseñar un recolector genérico resulta difícil. En determinados casos, cabe esperar que la solución más eficaz consista en una combinación de dos tecnologías de recolección, por ejemplo solar y RF, o térmica y RF. También habría que plantearse si el uso de baterías pequeñas, de película fina o impresas en material flexible y recargables resultaría más adecuado combinado con supercondensadores cuando haya que aprovechar o descargar una ráfaga de energía o, por el contrario, prescindir completamente de las baterías y usar solo supercondensadores. 

Baterías y supercondensadores 

La célula principal de película finaCP042350de Renata de 3V tiene un perfil extremadamente bajo y es sumamente flexible (para más de 1000ciclos con un diámetro de hasta 50mm). Destaca además por su baja autodescarga, de apenas un 1% anual. La célula tiene un peso medio de 0,86gramos, no contiene mercurio y tiene un periodo de conservación de hasta 10años (si se mantiene a 23°C). Se basa en una composición química de Li/Mn2, con una capacidad nominal de 25mAh y una resistencia interna de <30Ω en un margen de temperaturas de funcionamiento de -40°C a +60°C. 

Integrados en paquetes de 20mm x 20mm x 0,4mm, cada uno de los componentes de la serie DMH de supercondensadores ultrafinosde Murata tiene una capacitancia de 35mF en un margen de temperaturas de funcionamiento de -40°C a +85°C. Tienen un voltaje nominal de 4,5V y una resistencia electroestática (ESR, por sus siglas en inglés) de 300mΩ. Gracias a su forma estilizada, las unidades DMH caben debajo de una pila de botón o en cualquier espacio libre del nodo. 

Gestión de energía inteligente  

Cualquiera que sea la fuente o el método de almacenamiento, es importante aprovechar al máximo la energía recolectada y reducir al mínimo posible la energía disipada. Esto puede lograrse mediante la especificación de la nueva generación de circuitos integrados para la gestión de la energía (PMIC, por sus siglas en inglés) que están surgiendo últimamente. 

El LTC3588-2 de Analog Devices integra un puente rectificador de baja pérdida y onda completa, así como un convertidor reductor de alta eficiencia. Esta combinación proporciona a los ingenieros una solución integral optimizada de captura de energía para obtener energía de todo tipo de fuentes, incluyendo células piezoeléctricas, electromecánicas y solares, así como transductores magnéticos. Se obtiene una extracción eficiente de energía cuando se extrae una corriente de reposo de entrada ultrabaja de 830nA en modo de bloqueo de bajo voltaje (UVLO) con un umbral ascendente de 16V. El umbral UVLO también permite la multiplicación de la corriente de entrada a la de salida a través del regulador síncrono de alta eficiencia. El regulador muestra un estado de reposo que minimiza la corriente de reposo tanto de entrada como de salida durante el proceso de regulación. Pueden seleccionarse cuatro voltajes de salida por terminales de 3,45V, 4,1V, 4,5V y 5,0V con una corriente de salida continua de hasta 100mA, lo que hace que este dispositivo resulte adecuado para supercondensadores, así como para baterías de iones de litio y LiFePO4. Un resistor protector de entrada (hasta 25mA de reducción a 20V) protege de sobrevoltaje. 

Figura 1: Aplicación típica LTC3588-2. 

Los PMIC S6AE101Ade Cypress para la recolección de energía están diseñados para la aplicación en diminutos sensores inalámbricos alimentados con energía solar en los que se utilizan células fotovoltaicas de apenas 1cm22.Abarcan un rango de voltaje de entrada de 2V a 5,5V y su voltaje de salida puede configurarse entre 1,1V y 5,2V. Cada uno de estos PMIC utiliza un conmutador de control integrado para almacenar la energía generada por la célula solar que lo acompaña en un condensador de salida. La protección de sobrevoltaje está incorporada en los terminales de entrada de la célula solar. Disponible en unidades SON-10 de 3mm x 3mm, este PMIC tiene una potencia de arranque de 1,2µW y un consumo de corriente (mínimo) de 250nA. Esto aumenta la energía disponible para la detección, el procesamiento y la comunicación de las aplicaciones específicas, como las balizas de BLE y los sensores inalámbricos sin baterías para la automatización de edificios/fábricas y la agricultura inteligente. 

Figura 2: El S6AE101A de Cypress 

El cargador y los dispositivos de protección para la recolección de energíaMAX17710 de Maxim Integrated abarcan todas las funciones de gestión de la energía para obtener energía ambiente de fuentes cuyos niveles de salida van de 1µW a 100mW. Incorporan un cargador de litio con una IQBATT en standby de 1nA, ofrecen una recarga lineal de 625nA y un valor de carga de refuerzo de 1µW. Incluidos en unidades UTDFN de 3mm x 3mm x 0,5mm, estos circuitos integrados admiten voltajes bajos de salida (LDO) de 1,8V, 2,3V o 3,3V. El circuito regulador impulsor permite la recarga de fuentes de tan solo 0,75V (valor típico). 

Figura 3. Circuito de funcionamiento simplificado MAX17710.

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