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Recolección de energía procedente de varias fuentes en el Internet de las cosas

La captación de energía procedente de señales solares, vibratorias e inalámbricas puede utilizarse para ampliar la vida útil de la batería de los sensores del Internet de las cosas (IdC) portátiles o implementados de forma remota. La menor necesidad de mantenimientos in situ destinados a la sustitución frecuente de baterías permite reducir significativamente los costes asociados a los despliegues en el Internet de las cosas industrial (IdCI). Por raro que parezca, las baterías no son tan populares en el Internet de las cosas. Si bien es cierto que permiten la colocación de sensores y nodos inalámbricos en muchas más ubicaciones domésticas, de oficina o en fábricas sin tener que preocuparse por la disponibilidad de cableado eléctrico o tomas de corriente, esta comodidad es también su mayor desventaja. La incorporación de miles de millones de nodos al Internet de las cosas industrial (IdCI), que se conectan a todo tipo de equipos, convierte en una costosa realidad el reto de sustituir todas estas baterías.

La sustitución de cientos de miles de baterías en una planta de producción bien podría requerir los servicios de varias personas a tiempo completo, lo que resulta costoso tanto por el tiempo invertido en mano de obra como por el gasto que suponen las propias baterías. El objetivo es instalar estos nodos en el mayor número de ubicaciones posible con el fin de poder supervisar la actividad en el almacén o en la planta de producción para aumentar la eficiencia de las operaciones. Así pues, los diseñadores están considerando formas de captar la energía del entorno para alimentar estos nodos. Esta energía puede utilizarse para aprovisionar los nodos directamente sin utilizar ninguna batería, aunque, en muchos casos, la recolección de energía se usa para cargar una batería o un supercondensador, lo que permite aumentar la vida útil de la batería de un año aproximadamente a más de una década y reducir de manera drástica los gastos de mantenimiento y sustitución. La recolección de energía se ve favorecida por un menor consumo de los últimos microcontroladores, sensores y transceptores inalámbricos, aunque los diseñadores se enfrentan a algunos retos importantes a la hora de abordar la fluctuación de energía procedente de una amplia variedad de estas fuentes.

Algunas de estas fuentes son bastante evidentes. Los paneles solares de pequeño tamaño se han utilizado durante años para alimentar calculadoras y luces LED, pero las celdas solares más eficientes, que funcionan con luces fluorescentes en las fábricas, se están combinando con dispositivos de gestión de potencia que permiten controlar los altibajos de corriente que requiere un transceptor inalámbrico. Otras técnicas de recolección de energía, especialmente en las fábricas, incluyen el aprovechamiento de la di ferencia de calor con generadores termoeléctricos (TEG) y la vibración de las máquinas con dispositivos piezoeléctricos. Ambos métodos pueden producir ahora energía suficiente para transmitir actualizaciones periódicas sobre el estado de una máquina o la actividad de un sistema, y permitir de esta forma anticipar posibles problemas. Un TEG consta de un conjunto de termopares conectados en serie, donde uno de los lados descansa sobre una superficie caliente y el otro sobre una superficie fría. La diferencia de temperatura, tanto en un sistema de calentamiento industrial como incluso en el disipador de un dispositivo electrónico de control, puede utilizarse para reciclar la energía que se perdería de cualquier otro modo en forma de calor.

Por ejemplo, los últimos módulos de recolección de energía térmica, que funcionan a 50 °C, pueden suministrar alimentación a más de 6 mAh, lo que equivale a tres o cuatro baterías AA. Ahora, es posible aprovechar incluso la energía radioeléctrica que nos rodea. La recolección de la energía de radiofrecuencia (RF), especialmente a las frecuencias utilizadas por los teléfonos móviles con tecnología Wi-Fi o GSM, puede suministrar hasta 50 mA para cargar una batería y enviar señales. No obstante, el gran reto consiste en ser capaz de utilizar la amplia variedad de métodos de recolección de energía con un único frontal de gestión de potencia, en lugar de tener que diseñar un subsistema independiente para las diferentes fuentes de alimentación. Por ejemplo, el MAX17710 de Maxim Integrated es un sistema completo que permite cargar y proteger celdas de almacenamiento de microenergía. La función clave es que el chip puede gestionar fuentes reguladas de manera deficiente como, por ejemplo, dispositivos de recolección de energía con niveles de salida comprendidos entre 1 fW y 100 mW. El dispositivo también incluye un circuito regulador de impulsos para cargar la celda desde una fuente de tan solo 0,75 V (typ). Un regulador interno protege la celda de la sobrecarga, y las tensiones de salida suministradas a las aplicaciones específicas se controlan a través de un regulador lineal de baja tensión de desconexión (LDO) con tensiones seleccionables de 3,3 V, 2,3 V o 1,8 V. El regulador de salida opera en un modo seleccionable de potencia baja o ultrabaja para minimizar el drenaje de la celda. Además, la protección de la tensión interna evita la sobredescarga de la celda.

Una manera fundamental de lograrlo es conseguir que las funciones de carga y de regulación operen de forma completamente independiente la una de la otra. El encendido inicial del dispositivo se produce cuando una celda se conecta al contacto de la batería (BATT), extrayendo únicamente 1 nA de la celda con las funciones LDO desactivadas. Cuando la fuente de recolección de energía entra en funcionamiento y la tensión en el contacto de carga (CHG) sube por encima de 4,15 V (VCE), el dispositivo se inicializa y permite la descarga. A continuación, el dispositivo carga la celda a partir de la fuente de energía externa conectada al contacto CHG. Mientras la tensión en el contacto CHG sea superior a la del contacto BATT, el circuito de recolección de energía transmitirá corriente directamente a la celda sin ningún tipo de interacción por parte del dispositivo. Cuando el contacto CHG supere el valor VCE, se encenderá el regulador lineal de entrada para limitar la tensión de carga a 4,125 V y proteger la celda de la sobrecarga. Las dimensiones también son importantes, ya que estos nodos deben ocupar el menor tamaño posible, por lo que el chip está disponible en un paquete UTDFN ultrafino de 3 x 3 x 0,5 mm que incluye 12 contactos.

De manera similar, el bq25570 de Texas Instruments está diseñado específicamente para extraer potencia eficientemente de microvatios a milivatios de fuentes de impedancia de salida alta como, por ejemplo, celdas solares o TEG sin colapsos de tensión. Las características de la gestión de baterías garantizan que una batería recargable no se sobrecargue por esta potencia extraída, con un aumento o un agotamiento de la tensión por encima de los límites de seguridad de una carga del sistema. Además del cargador de impulsos de alta eficiencia, el bq25570, integra un conversor Nanopower de tipo Buck altamente eficiente para proporcionar un segundo riel de alimentación a sistemas como, por ejemplo, redes de sensores inalámbricos (WSN), que constituyen un elemento esencial del IdC y presentan unos estrictos requisitos de potencia que permiten suministrar una salida máxima de 110 mA. El dispositivo viene en un compacto paquete QFN de 3,5 x 3,5 mm que incluye 20 terminales. A través de su división Linear Technology, Analog Devices, Inc. (ADI) está mostrando formas de captar energía de todas estas diferentes fuentes en una placa. La placa de demostración DC2042A admite entradas de fuentes de energía piezoeléctrica, solar, térmica y bucles de 4 mA a 20 mA, o de cualquier fuente CA o CC de alta impedancia. La placa contiene cuatro circuitos independientes que utilizan el suministro de energía piezoeléctrica LTC3588-1 asociado al controlador de alimentación y conversor de ascenso de tensión ultrabaja LTC3108, y el conversor de CC-CC de ascenso LTC31 con regulador LDO y control de punto de potencia.

El controlador de punto de potencia realiza un seguimiento de la tensión óptima a la que debe realizarse la conversión, especialmente para celdas solares. Junto con estos componentes, la placa incluye el conversor de impulsos síncrono de microtensión LTC3459 de 10 V y el supervisor de potencia ultrabaja LTC2935- 2/LTC2935-4 para gestionar todo el diseño. Sin lugar a dudas, la captura de energía solo es una parte de la historia, y la salida de la placa puede utilizarse para alimentar una placa inalámbrica de potencia ultrabaja como, por ejemplo, Dust DC9003A-B Mote o el kit de desarrollo Microchip STK. Esto permite a los diseñadores probar completamente los nodos que quieren utilizar para el Internet de las cosas industrial (IdCI) con una amplia variedad de fuentes de recolección de energía para usar los nodos en el mayor número de sitios posible sin tener que sustituir periódicamente las baterías y ofrecer todas las ventajas del IdCI sin ningún contratiempo.

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