Una guía para seleccionar y usar fuentes de energía para IoT e IIoT

Por más diversos que sean los dispositivos diseñados para el internet de las cosas (IoT) y el internet industrial de las cosas (IIoT), todos requieren alguna fuente principal de energía para la entrada, el procesamiento y la comunicación de datos. Sin embargo, la diversa naturaleza de las funciones y de los entornos de los dispositivos de IoT ha dado como resultado una amplia variedad de fuentes principales de energía, que van desde líneas eléctricas hasta baterías y celdas solares.

Además, la amplia gama de funciones y modos de funcionamiento, como "siempre encendido" para escuchar y "en espera" para una respuesta rápida al estímulo de entrada, requiere una selección cuidadosa de las fuentes de alimentación internas. El objetivo es maximizar la eficiencia, mantener el tamaño físico pequeño y maximizar la densidad de potencia para la aplicación sin comprometer el rendimiento ni requerir una gestión térmica extensa, lo que puede aumentar el tamaño, el peso y el costo. Otro asunto a tener en cuenta es la seguridad del usuario, que no puede verse comprometida.

Este artículo analiza los diversos tipos de fuentes de alimentación utilizados en dispositivos de IoT y examina algunos ejemplos de RECOM Power diseñados para cumplir con estos requisitos.

Fuentes de alimentación de línea

Los dispositivos de IoT o IIoT que usan energía de línea tienen menos restricciones de energía que los dispositivos portátiles. La energía de línea generalmente proporciona voltajes de entrada fijos con niveles de corriente adecuados. Otras fuentes de energía, como las celdas solares, pueden tener grandes variaciones en los niveles de voltaje y corriente que dependen de su iluminación y del grado de regulación de voltaje incorporado. Los dispositivos de IoT o IIoT deben tener requisitos de alimentación de entrada flexibles para manejar posibles variaciones en la potencia de entrada.

Un fabricante de fuentes de alimentación, RECOM Power, diseñó una familia de fuentes de alimentación de 5 vatios ultracompactas y totalmente encapsuladas, los módulos de CA/CC de la serie RAC05-K, para satisfacer las necesidades de flexibilidad en el voltaje de entrada de las aplicaciones de IoT o IIoT.

Estos módulos de fuentes de alimentación funcionan con un voltaje de entrada en el rango de 85 a 264 voltios de CA (47 a 63 hercios (Hz)) o 120 a 370 voltios de CC. Este rango de voltaje de entrada de línea casi universal hace que el uso de estos módulos sea adecuado globalmente en entornos domésticos o industriales. Esto se demuestra aún más mediante el rango de temperatura de funcionamiento de estas fuentes de alimentación: la serie RAC05-K está clasificada para producir una potencia total en temperaturas de -25 °C a +50 °C con una potencia de salida reducida de +50 °C a +70 °C.

Los modelos individuales de la serie tienen un voltaje de salida fijo de 3.3, 5, 12, 15 o 24 voltios. El RAC05-05SK de 5 voltios tiene un espacio de 1 pulgada x 1 pulgada (25.4 x 25.4 milímetros (mm)) en la placa de CI, con una altura de 0.65 pulgadas (16.5 mm). Con una potencia nominal de salida de 5 vatios, este módulo de potencia tiene una densidad de potencia respetable de 7.7 vatios por pulgada cúbica (Figura 1).

Figura 1: El módulo de potencia RAC05-05SK de RECOM incluye 5 vatios en un paquete de 1” x 1" x 0,65”, lo que produce una densidad de potencia volumétrica de 7.7 vatios por pulgada cúbica. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Estas fuentes tienen eficiencias superiores al 80 % y un consumo de energía sin carga de solo 75 milivatios (mW). Esta combinación las hace aplicables para dispositivos de IoT/IIoT “siempre encendidos” en los que la alta eficiencia y la baja pérdida de energía interna ayudan a mantener los dispositivos frescos.

Desde el punto de vista de la seguridad, la serie RAC05-K incluye protección integrada con fusibles, contra sobretensiones y cortocircuitos. Cumple con los estándares de seguridad IEC60950-1 y UL62368-1, así como también cumple con los límites EN55032 Clase B de Compatibilidad Electromagnética (EMC) sin ningún componente externo.

Un extenso rango de voltaje de entrada, tamaño pequeño, atención a la seguridad y un amplio rango de temperatura de funcionamiento se combinan para hacer que estas fuentes sean ideales para muchas aplicaciones con energía de línea de IoT o IIoT.

Fuentes de capacidad industrial

Los entornos industriales a menudo requieren fuentes de alimentación especiales debido a las condiciones ambientales en las que estos dispositivos tienen que operar. Una de esas líneas de fuentes son los convertidores de CC/CC de la serie R1SX de RECOM, que tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +100 °C sin reducción de potencia. Este rango de temperatura manejará de manera segura la mayoría de las condiciones industriales. Un dispositivo de ejemplo de la serie es el R1SX-3.305-R, un convertidor elevador de CC/CC de 1 vatio que acepta una entrada de 3.3 voltios y lo eleva a una salida de 5 voltios.

Estos convertidores también están aislados de CC a 1 kilovoltio (kV)/1 segundo con una clasificación opcional de 3 kV/1 segundo disponible. El aislamiento es importante en el mundo industrial, donde los bucles de tierra y el ruido eléctrico son muy comunes. Tener la entrada y la salida aisladas ayuda a romper estos bucles de tierra y a minimizar la propagación del ruido. El convertidor de CC/CC R1SX-3.3-5 puede emplearse para admitir interfaces de datos aisladas con desfase de nivel (Figura 2).

Figura 2: Mantener el aislamiento en una interfaz de datos requiere no solo un aislador digital, sino también fuentes de alimentación aisladas. Este circuito utiliza 3.3 voltios en el lado primario del aislador y 5 voltios en el secundario para lograr un cambio de desfase lógico mientras se mantiene el aislamiento galvánico. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Fuentes de alimentación de CC/CC para dispositivos portátiles

Los dispositivos de IoT o IIoT portátiles que funcionan con baterías requieren un tamaño pequeño y una baja pérdida de energía. El objetivo es extender la vida útil de la batería el mayor tiempo posible para disminuir el tiempo de inactividad inesperado y reducir la mano de obra necesaria para reemplazar las baterías en una gran cantidad de dispositivos. Las características clave de tales diseños incluyen la capacidad de colocar las fuentes de alimentación en un estado inactivo o en espera cuando no sean necesarias, una alta eficiencia y un amplio rango de voltaje de entrada para dar cuenta de la disminución del voltaje de la batería cerca del final de la vida útil.

Un ejemplo de convertidores de CC/CC con especificaciones que coinciden con los requisitos de IoT portátiles es la serie R-78S de RECOM. Un dispositivo de la serie, el R-78S3.3-0.1, está diseñado para producir 3.3 voltios a partir de una batería AA de 1.5 voltios. La serie también incluye dispositivos con niveles de voltaje de salida de 1.8, 3.3 y 3.6 voltios destinados a alimentar una amplia variedad de microprocesadores y controladores de baterías de una sola celda. Todos los dispositivos funcionan en un rango de voltaje de entrada de 3.15 voltios a 0.65 voltios, lo que permite el uso de los últimos milivatios de energía de la batería. Este convertidor de potencia tiene una alta eficiencia típica del 93 %, lo que minimiza la pérdida de potencia. Se puede colocar en modo de espera donde solo consume 7 microamperios (µA). Al combinar una alta eficiencia, el modo de espera y un amplio rango de voltaje de entrada, este convertidor de potencia es ideal para dispositivos de IoT inalámbricos portátiles (Figura 3).

Figura 3: Un ejemplo que ilustra el uso del modo de apagado para extender la duración de la batería en una aplicación inalámbrica. Una celda AA de 2100 miliamperios hora (mAh) puede suministrar 7 µA durante varias décadas. (Fuente de la imagen: RECOM Power, modificado por Art Pini)

La serie R-78S también presenta un amplio rango de operación de -40 °C a +100 °C, útil para un dispositivo portátil que se pueda quedar en un vehículo en condiciones climáticas extremas.

El ejemplo de la Figura 3 muestra el uso del modo de espera o de suspensión, durante el cual el sistema consume solo 20 microvatios (µW). Cuando está en este modo, el voltaje del condensador, como se muestra con la traza azul, disminuye con el tiempo desde su valor completamente cargado de 3.3 voltios hasta que alcanza un umbral establecido por las resistencias R1 y R2, momento en el cual el microprocesador le indica al convertidor que se active. El sistema consume solo 200 µA cuando el convertidor está funcionando en modo activo, tiempo durante el cual el condensador se recarga para el siguiente ciclo. El consumo de energía será proporcional al ciclo de trabajo del modo activo/de suspensión.

La baja capacidad de voltaje de entrada de los convertidores R-78S de RECOM es una característica sobresaliente para aplicaciones de recolección de energía de IoT o IIoT. Por ejemplo, se pueden usar para aumentar la salida de fuentes de bajo voltaje, como las celdas solares o los generadores termoeléctricos (TEG), para cargar una celda recargable de 3.3 voltios (Figura 4).

Figura 4: El diagrama muestra el uso del R-78S3.6-0.1 como convertidor elevador, que toma una entrada de bajo voltaje de una celda solar o TEG y la eleva a 3.6 voltios para cargar una celda recargable de 3.3 voltios a través de un diodo. La carga puede comenzar con voltajes de entrada tan bajos como 0.65 voltios. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Se requiere el voltaje de salida más alto (3.6 voltios frente a 3.3 voltios) para cargar la celda a través del diodo. El diodo evita que la batería completamente cargada impulse la salida del convertidor. Estos convertidores también están protegidos contra cortocircuitos y sobretemperaturas para que funcionen de manera confiable.

Circuitos de diseño de referencia y placas de evaluación mediante el uso del R-78S3.3-0.1

Los diseños de referencia son útiles para determinar si un componente satisface las necesidades de diseño. En el caso de los convertidores de CC/CC de la serie R-78S, estos ofrecen una herramienta práctica para evaluar el dispositivo (Figura 5).

Figura 5: El diseño de referencia para los convertidores de CC/CC de la serie R-78S de RECOM muestra el pequeño tamaño del dispositivo en comparación con una batería de celda AA estándar. Esta placa de CI de diseño de referencia se puede incorporar en los prototipos. (Fuente de la imagen: RECOM Power, modificado por Art Pini)

El diseño de referencia R-REF02-78S de RECOM está disponible como una placa de CI poblada con cabeceras simples de 0.100 pulgadas y orificios de montaje para una fácil incorporación a los prototipos de evaluación. El pin de habilitación para el convertidor se lleva a una cabecera para evaluar el modo de suspensión del convertidor.

Para realizar pruebas más rigurosas a los dispositivos, RECOM también ofrece una placa de evaluación, la R-78S3.3-0.1-EVM-1, que tiene más nodos de prueba en las cabeceras que las que aparecen en el diseño de referencia (Figura 6).

Figura 6: El esquema de la placa de evaluación R-78SS.3-0.1-EVM-1 de RECOM muestra la selección más completa de puntos de prueba disponibles y un puerto USB para la comunicación con el dispositivo, si lo desea. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

La placa de evaluación incluye todos los elementos del diseño de referencia, pero aumenta el acceso a las conexiones de entrada y salida del convertidor. Los puentes y las cabeceras adicionales están destinados a permitir que se realicen varias mediciones y que se determinen los parámetros del dispositivo. Se incluye un puerto USB para permitir la alimentación de los circuitos de demostración fuera de la placa.

Conclusión

La energía para aplicaciones de IoT e IIoT se puede suministrar de varias maneras, lo que incluye la energía de línea, las baterías o la recolección de energía. La aplicación determinará en cierta medida los requisitos de la fuente de energía. Los diseñadores necesitan dispositivos de energía versátiles para garantizar que los diseños puedan manejar la amplia gama de escenarios operativos. Con un amplio rango de entrada, alta eficiencia, tamaño pequeño y modos de espera inactivos, los dispositivos de conversión de energía de RECOM analizados anteriormente son candidatos principales como fuentes de energía para productos de IoT e IIoT.