Innovaciones industriales que los ingenieros pueden usar para mejorar la sostenibilidad
Mark Patrick, Mouser Electronics
El debate de la sostenibilidad es uno de los más importantes actualmente. Los ingenieros y diseñadores están descubriendo muchas soluciones e innovaciones tecnológicas para mejorar la situación actual. La realidad es que el efecto conjunto de todas estas mejoras iterativas está resultando ser esencial para lograr un complejo industrial más sostenible.
El sector de la electrónica juega un papel de gran importancia en el desarrollo de soluciones, la mejora de la eficiencia, la reducción de residuos o la minimización del mantenimiento. En este blog, hablaremos de cinco soluciones de última generación —en el ámbito de la producción de energía, el desarrollo, la detección, el mantenimiento y la comunicación— que los ingenieros pueden utilizar para crear productos finales más sostenibles.
Los héroes de la sostenibilidad
Actualmente, hay más de 15 000 millones de dispositivos del Internet de las cosas (IdC). El uso conjunto de soluciones reutilizables para el almacenamiento de energía y de técnicas de carga más eficientes puede contribuir a aumentar la sostenibilidad en este mercado.
El modelo de última generación NEH2000BYJ (imagen 1) de Nexperia es un circuito integrado de gestión de energía (PMIC, por sus siglas en inglés) de gran rendimiento, y permite captar entre 0,035 y 2 mW de potencia sostenible a partir de células fotovoltaicas (PV). Dispone de un controlador avanzado que actúa como buscador del punto de conversión óptima de energía (MPPT) y que utiliza un algoritmo «hill climbing» integrado para optimizar el suministro; además, es compatible con cualquier otro dispositivo de captación que cumpla con las especificaciones del chip, lo que aporta muchas más opciones a la hora de seleccionar componentes.
Imagen 1: el PMIC NEH2000BY de Nexperia (fuente: Mouser Electronics)
El encapsulado del PMIC solo mide 3 x 3 mm y precisa de menos componentes que otras opciones similares del mercado; no hace falta usar un inductor externo y necesita muy pocos componentes pasivos, lo que reduce todavía más el número de elementos necesarios. Si utilizamos el NEH2000BYJ con una batería de litio y una célula fotovoltaica, podemos dejar de alimentar algunos productos con baterías de un solo uso o fuentes de alimentación fijas y pasar a fuentes sostenibles a partir de energía ambiental.
- Ventajas: proporciona alimentación sostenible para dispositivos electrónicos de bajo consumo y reduce la lista de materiales necesarios.
- Aplicaciones ideales: dispositivos IdC/IIdC inalámbricos, gestión inteligente de dispositivos, etiquetas electrónicas, dispositivos ponibles, supervisión ambiental e industrial y muchas otras soluciones de bajo consumo.
Un proyecto financiado por la UE aportaba un dato alarmante: para 2025, estaremos tirando cada día 78 millones de baterías usadas si no mejoramos su ciclo de vida. Qoitech ha desarrollado una original solución que tiene el objetivo de mejorar la selección y la vida de las baterías, además de aumentar la eficiencia del diseño con un mayor desarrollo del sistema. El Otii Arc Pro de Qoitech (imagen 2) es, a la vez, una herramienta integral de optimización de energía y un potente conjunto de software con el que los ingenieros obtienen un elaborador de perfiles energéticos de gran precisión, un analizador de energía CC, una fuente de alimentación, un multímetro digital, una unidad de medición de fuente y un depurador de alimentación. Tiene una resolución de 5 nA en la medición de intensidad, un conversor analógico-digital (CAD) de 24 bits con conmutación automática entre rangos y una frecuencia de muestreo de hasta 4 ksps, lo que garantiza una captura precisa de los datos.
Imagen 2: el Otii Arc Pro de Qoitech (fuente: Qoitech)
Con el Otii Arc Pro y su sofisticado software, los ingenieros son capaces de añadir inteligencia y profundidad a sus procesos de desarrollo, además de reducir el tiempo necesario para desarrollar soluciones; esto contribuye a mejorar los diseños, ya que la gestión de la batería y el consumo del sistema se optimizan todavía más. Con el Otii Arc Pro, es posible seleccionar baterías de un modo más preciso y rápido, calcular mejor la vida de la batería y reducir la energía total necesaria, gracias al análisis del consumo real de los componentes. Como resultado, podemos reducir el consumo energético del dispositivo y utilizar las baterías durante el mayor tiempo posible, lo que reduce el volumen de residuos.
- Ventajas: optimiza el funcionamiento de la batería y aumenta la eficiencia del diseño gracias a un nivel superior en los ajustes.
- Aplicaciones ideales: diseño de hardware, firmware y software con eficiencia energética mediante pruebas de regresión, desarrollo de sistemas alimentados por batería y ajuste en tiempo real de sensores para microcontroladores y del consumo energético de los dispositivos.
Con la expansión de la robótica y la automatización, cada vez es más común que las soluciones necesiten detección espacial con un gran nivel de exactitud. Hay muchos productos en todo el mundo que precisan de este tipo de percepción y que podrían sacar un gran provecho de soluciones de detección de bajo consumo, como los vehículos de pasajeros, los robots en las fábricas o los cortacéspedes.
El radar coherente y por impulsos A121 (imagen 3) de Acconeer. Con la tecnología coherente y por impulsos (PCR) patentada de Acconeer, este radar de 60 GHz y gran precisión ofrece una resolución temporal en el rango de los picosegundos y funciona con distancias de hasta 20 m. En los radares, lo normal es que la precisión y el bajo consumo sean elementos excluyentes entre sí, pero Acconeer ha logrado obtener un diseño superoptimizado que aporta ambos conceptos.
Imagen 3: el radar coherente y por impulsos A121 de Acconeer (fuente: Mouser Electronics)
El encapsulado del A121 mide 29 × 29 mm, e integra la banda de base, la entrada de radiofrecuencia y una antena, reduciendo así la lista de materiales. Se trata de un encapsulado que se puede incorporar fácilmente en cualquier diseño con batería portátil. Además, la corriente de funcionamiento (en el rango de los microamperios o nanoamperios, en función del perfil de medición) prolonga la vida de la batería y reduce el consumo energético del sistema en una amplia gama de aplicaciones de baja potencia.
- Ventajas: un radar de onda milimétrica y de bajo consumo que reduce la lista de materiales.
- Aplicaciones ideales: sistemas de detección de movimiento, medidas de gran precisión, clasificación y detección de materiales, seguimiento de objetos, control de gestos y monitorización de constantes vitales en la atención sanitaria.
Más del 40 % de la electricidad del todo el mundo va destinada a los motores eléctricos, así que necesitamos garantizar a toda costa que su nivel de mantenimiento y funcionamiento sea el mejor posible si queremos contribuir al éxito de las estrategias de sostenibilidad.
Una solución es el dispositivo CN0549, una plataforma de desarrollo para la monitorización basada en el estado (CbM) de Analog Devices Inc (imagen 4). El CN0549 utiliza la salida de datos de los acelerómetros en sistemas microelectromecánicos (MEMS) con un amplio ancho de banda dentro del popular estándar IEPE (empleado para sensores piezoeléctricos con electrónica integrada), y permite recopilar y analizar las frecuencias armónicas y las vibraciones en el motor.
Imagen 4: la plataforma de desarrollo CN0549 para CbM de Analog Devices (fuente: Mouser Electronics)
Si se utiliza junto con el aprendizaje automático de sistemas de adquisición de datos de alto rendimiento, como MATLAB, los grandes conjuntos de datos obtenidos por el CN0549 se pueden emplear para crear potentes algoritmos CbM capaces de detectar condiciones de funcionamiento deficientes en motores eléctricos antes de lo que resulta posible con las técnicas de mantenimiento tradicionales. Esto puede contribuir a mejorar las estrategias de mantenimiento preventivo a fin de que el funcionamiento de los motores eléctricos sea lo más eficiente posible. Además, el empleo temprano de técnicas de mantenimiento reduce el riesgo de averías graves y, por lo tanto, rebaja la necesidad de sustituir componentes dañados, lo que disminuye el volumen de residuos.
- Ventajas: aporta inteligencia en el mantenimiento preventivo, garantiza el mejor nivel de eficiencia posible en los sistemas motorizados y reduce el volumen de reemplazos para componentes.
- Aplicaciones ideales: motores eléctricos, robótica, sistemas automatizados, monitorización basada en el estado, sistemas de control de motor y de gestión de vuelo y soluciones para el sector de la aviónica.
Los productos electrónicos actuales precisan de inteligencia y conectividad, así que cada vez es más común que los dispositivos dispongan de módulos de comunicación para conectarse a redes más globales o a servicios en la nube. Una gestión eficaz de la comunicación inalámbrica puede tener un impacto enorme en la reducción del consumo de un dispositivo, tanto durante su funcionamiento como durante el «standby».
El nRF52840 (imagen 5) es un sistema en chip (SoC) multiprotocolo de Nordic Semiconductor: una solución de consumo ultrabajo y gran flexibilidad en un solo chip, algo ideal en aplicaciones inalámbricas para distancias cortas. El SoC dispone de conectividad simultánea Bluetooth® 5.4 de 2,4 GHz, Bluetooth Low Energy, 802.15.4, Thread, Zigbee y ANT/ANT+.
Imagen 5: el SoC multiprotocolo nRF52840 de Nordic Semiconductor (fuente: Mouser Electronics)
El nRF52840 dispone de características avanzadas para la gestión de la alimentación: funciones adaptativas y automatizadas para la administración de energía que aportan un consumo excepcionalmente bajo. Estas funciones abarcan todos los aspectos del funcionamiento del dispositivo, desde la conmutación en el suministro de energía y la gestión de memoria y del bus periférico hasta un tipo de apagado automatizado que desconecta todos los periféricos que no sean absolutamente imprescindibles para llevar a cabo una tarea concreta. En el submodo predeterminado de bajo consumo, el consumo de intensidad es de solo 1,5 µA y en «standby» es de 0,4 µA.
Con el nRF52840, los ingenieros pueden generar diseños capaces de conectarse con fiabilidad a una amplia gama de protocolos inalámbricos, con un consumo más bajo de lo visto hasta ahora.
- Ventajas: comunicación inalámbrica con un nivel de consumo excepcionalmente bajo para una gran variedad de protocolos.
- Aplicaciones ideales: dispositivos ponibles conectados, monitores de actividad física, dispositivos de pago, RV/RA, IdC e IIdC y dispositivos de entretenimiento interactivos.
Conclusión
La sostenibilidad no se limita a tomar una medida importante; también se puede lograr combinando miles de pequeños cambios que, en conjunto, aportan una transformación neta mucho mayor. Mediante una selección de componentes optimizada, un desarrollo más profundo y técnicas de mantenimiento inteligentes, la industria electrónica logra reducir el consumo energético. Por otro lado, un mayor nivel de integración, una mejora en los programas de mantenimiento y la miniaturización de los diseños contribuirán a rebajar el volumen necesario de materia prima.
En este blog, hemos hablado de algunos héroes de la sostenibilidad, una amplia gama de productos y soluciones que pueden aportar avances mediante innovaciones importantes y mejoras iterativas y continuas. Los ingenieros pueden usar ya estos componentes y sistemas para contribuir a la sostenibilidad de sus futuros diseños.
