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Los ojos y los oídos de IoT La historia de la vida de los sensores en “Internet de las Cosas”

Se requiere un gran número de sensores a la hora de garantizar que todo funciona correctamente en proyectos de Internet de las Cosas (IoT). Estos dispositivos miden y registran temperatura, luminosidad, movimiento y otros muchos parámetros y transfieren los datos a sistemas de control inteligente. Sin embargo, los sensores necesitan alimentación. Poca , – pero no pueden trabajar sin ella. Por lo tanto, asegurar que los sensores con batería rinden varios años sin mantenimiento es un reto muy arriesgado. Entonces , ¿cómo se puede extender la vida operativa de las baterías? y ¿cómo se puede triplicar la corriente desde un bucle de 4-20 mA?.

Con la llegada de la cuarta revolución industrial (Industry 4.0), los sistemas ciberfísicos (CPS), Internet de las Cosas e informática en la nube (cloud computing) se han abierto un hueco en las fábricas modernas. Operando como redes de comunicación integradas, los sistemas ciberfísicos toman decisiones y, al mismo tiempo, interactúan en tiempo real con otros sistemas como si fueran personas. Uno de los principales motivos de la rapidez en el progreso tecnológico con respecto a los últimos años se encuentra en la caída del precio de sensores de todo tipo. Sólo hace una década, la tecnología de sensor estaba reservada a aplicaciones muy especializadas, pero a día de hoy son un producto Autores: Alex Stangl, Product Sales Manager Power Supplies – Rutronik Bianca Aichinger, Product Marketing Manager – Recom masivo. Este desarrollo ha permitido integrar muchos más dispositivos en redes donde combinan, procesan e intercambian volúmenes de datos cada vez mayores. No obstante, todos estos sensores se deben abastecer con una sola cosa: corriente eléctrica – a través de una fuente de alimentación central o local o una batería.

El mito de una pila de botón de 3 V

Muchas aplicaciones IoT e Industry 4.0 operan con pilas de botón de 3 V, que no sólo son económicas, sino que también resultan muy fiables. Su inconveniente: necesitan ser recargadas con bastante frecuencia. Una pila de botón CR2032 cargada completamente suministra unos 3,2 V. Tras unas pocas horas funcionando, la tensión cae por debajo de 3 V. Esto no parece suficiente para determinados módulos inalámbricos, como WLAN, Bluetooth y LoRaWAN. Además, la transmisión puede perder fiabilidad y el alcance de la señal limitarse repentinamente.

El uso de reguladores de conmutación para aumentar la vida operativa de las baterías

El regulador de conmutación boost R-78S de RECOM (Fig. 1) ha sido desarrollado especialmente para aplicaciones IoT alimentadas por batería. Este módulo plug&play es fácil de instalar y dota de una salida estable de 3,3 V desde tensiones de entrada de entre 0,65 y 3,15 VDC, sacando el máximo partido al último bit de potencia de la celda de batería. Por consiguiente, el R- 78S permite a los usuarios utilizar microprocesadores, módulos WLAN/ Bluetooth y sistemas IoT con una sola batería de 1,5 V o celda recargable, que tiene una vida operativa mucho más larga que una pila de botón convencional. La Fig. 2 muestra una aplicación típica del R-78S en un módulo inalámbrico. El circuito sólo se activa durante breves periodos para enviar datos. Durante estos momentos, todo el circuito consume alrededor de 600 μW. Cuando no está mandando datos, el circuito se encuentra en modo sleep. En estas ocasiones, el R-78S se alimenta mediante un condensador de búfer y sólo consume 7 μA. Si la carga del condensador se sitúa por debajo de un determinado límite, el circuito se activa para su recarga. Esta tecnología garantiza una operación fiable y libre de mantenimiento durante más de 10 años. Como los convertidores son asequibles, la inversión extra se recupera en muy poco tiempo gracias a la reducción de costes de batería y mantenimiento.

Soluciones para sistemas cableados (hardwired)

El bucle de 4-20 mA se ha convertido en el estándar sin discusión en tecnología de proceso y control. A pesar de llevar en el mercado más de 70 años, continúa desempeñando un papel fundamental. El sistema resulta ideal en entornos industriales adversos, ya que la señal de corriente es inmune a la interferencia industrial común. El sistema se basa en una tecnología two-wire relativamente sencilla mediante la cual las señales se transmiten como corrientes impresas. En este caso, un valor de 4 mA representa el 0% y 20 mA, el 100%. Por lo tanto, el sistema es intrínsecamente seguro porque siempre se demanda un flujo de corriente de 4 mA. Es posible detectar un hilo roto o un sensor defectuoso de manera inmediata porque la corriente no fluye. Además, los cables largos no suponen un problema y las señales se pueden leer con cualquier número de puntos en el mismo bucle. Gracias a su tecnología digital puntera, el concepto es a prueba del futuro. En las versiones modernas del bucle de 4-20 mA, los datos procedentes de varios sensores se procesan vía un DSP y se envían como una ráfaga modulada de frecuencia de pulsos en un solo cable analógico. Esto se consigue con la ayuda de dos módems HART (Highway Addressable Remote Transducer – transductor remoto direccionable de alta velocidad) que superpone los paquetes de datos digitales en la señal analógica del lado del transmisor y los desacopla de manera apropiada en el lado del receptor (Fig. 3). Esto posibilita la integración de más sensores sin desplegar cables de bucle adicionales. Esta es una de las principales razones por las que la tecnología HART se ha convertido en el protocolo de datos más usado en aplicaciones de procesamiento. También tiene un papel protagonista a la hora de garantizar la compatibilidad del bucle de 4-20 mA en el futuro.

Interfaz de corriente para alimentar sensores

La corriente por debajo del rango de medición se puede utilizar en generación de energía (<4 mA) con el objetivo de alimentar, por ejemplo, sensores. Está sujeta a restricciones porque la energía generada es suficiente para un sensor analógico, pero no resulta adecuada para varios o, incluso, sensores inteligentes (con DSP y/o display) – no habría problema si existe una fuente de alimentación disponible in situ. Sin embargo, si los componentes suministrados están más lejos de la estación de control, el gasto suele aumentar en consecuencia. Este es el motivo por el que los IC reguladores de conmutación convencionales no son idóneos para esta tarea, ya que su eficiencia con carga completa cae bastante y con menor carga supera el umbral de 4 mA. La baja corriente quiescente en modo sleep no puede compensar esto porque corta completamente la tensión de salida. Y los reguladores lineales tampoco resultan idóneos. A pesar de sus niveles de corriente quiescente aceptables de unos 0,5 mA, una baja eficiencia disminuye hasta tres veces la potencia disponible en comparación con reguladores de conmutación. En este aspecto, el regulador de conmutación nuevamente desarrollado R420-1.8/PL (Fig. 4) de RECOM ofrece una solución inteligente. Gracias a su topología innovadora permite reducir la corriente en modo idle a alrededor de 0,5 mA, manteniendo la tensión de salida. Por ejemplo: 24 VDC y <3,5 mA en la salida proporcionan 3,3 V y 10 mA en la salida, suficiente para alimentar al sensor junto al microcontrolador y al módem HART sin afectar a la funcionalidad de bucle ni a la precisión de medición. Otro beneficio del nuevo regulador de tensión es que se puede programar para cualquier voltaje de salida entre 1,8 y 5 V mediante cableado sencillo usando una resistencia.

Conclusión

Muchos sensores de proyectos de Internet de las Cosas demandan soluciones de alimentación innovadoras. RECOM ofrece productos inteligentes, como el regulador de conmutación boost R-78S, que ayuda a reducir el consumo de la batería. Además, saca partido al último bit de energía de la batería, por lo que las aplicaciones pueden funcionar más de una década sin problemas ni necesidad de mantenimiento. Pero las tecnologías más aceptadas y utilizadas, como el bucle de 4–20 mA, todavía siguen adaptándose al futuro gracias a la digitalización. Los nuevos reguladores de conmutación como el R420 de RECOM, que puede proporcionar hasta el triple de potencia de salida, contribuyen a cumplir los retos y los desafíos de los sistemas del mañana.

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