Se extiende la vida útil de la baterías del nodo del sensor de IoT con recolección de energía.

Por European Editors

Colaboración de Editores europeos de Digi-Key

Para poder capturar datos de ubicaciones remotas, los nodos de sensores desarrollados para el Internet de las cosas (IoT) deben poder funcionar el mayor tiempo posible que le permita una sola carga. En un mundo ideal, no habría baterías porque esto complica de manera significativa la gestión del sistema y requeriría el despliegue de camiones hacia ubicaciones que son difíciles y costosas de alcanzar.

En cambio, el sistema capturaría la energía de su entorno, a través de la tecnología fotovoltaica, la energía de radiofrecuencia (RF), la presión, el calor y el movimiento de aire o fluido. Por ejemplo, un medidor de caudal puede, en principio, soportar la energía capturada a través del medio para el que está diseñado para medir. Un sensor montado en la pared podría recolectar energía de la luz que recae sobre su superficie.

En práctica, la eficiencia energética de los sistemas de sensores electrónicos es demasiado bajo para poder confiar totalmente en la captura de energía medioambiental. No obstante, es posible aprovechar al máximo la carga en un batería de larga duración al usar la mayor cantidad de energía medioambiental que se pueda a pesar de que esto complique el diseño del sistema resultante.

Un problema clave es es que la energía es difícil de captar porque se activa con un voltaje muy bajo o un voltaje muy alto, pero con problemas graves de fase. Como resultado, las técnicas especializadas se necesitan para administrar las entradas, que incluyen ofrecer un convertidor elevador capaz de manejar fuentes de alta impedancia y voltaje bajo que muchos módulos de recolección presentan al sistema. Además, los circuitos como los convertidores elevadores pueden introducir el ruido de alta frecuencia que puede interrumpir las comunicaciones de radio. El sistema necesita mantener estas situaciones.

Otro requisito, especialmente en caso de generadores fotovoltaicos y termoeléctricos, es la compatibilidad con el seguimiento del punto de máxima potencia. Cada módulo fotovoltaico tiene una curva de voltaje de corriente característica (IV) que depende no solo de la luz incidente, sino en la temperatura. La curva determina que el voltaje al que se recolecta la energía máxima se pueda alcanzar. Al alejarse de este voltaje, se puede reducir la corriente recogida y, con ello, la energía.

Imagen de la curva IV para el recolector fotovoltaico

Figura 1: Curva IV para el recolector fotovoltaico

La temperatura afecta también la eficiencia de salida pico de un módulo. Las temperaturas altas provocan que el voltaje de salida del módulo caiga. Como resultado, incluso durante los periodos de luz solar intensa cuando deberían estar en la eficiencia pico, los paneles PV pueden sufrir caídas al convertir eficiencia si el circuito electrónico no compensa la caída de voltaje. El MPPT permite que los dispositivos electrónicos de conversión de energía realicen un seguimiento de las condiciones para asegurar que siempre se seleccione el voltaje más apropiado. Por suerte, el cambio en el punto máximo de potencia con cambios en la iluminación son generalmente pequeños para que el circuito de control del MPPT solo deba analizar la porción relativamente pequeña de la curva IV.

Los recolectores piezoeléctricos tienen una apariencia diferente, pero un comportamiento comparable: el voltaje de circuito abierto es apenas inversamente proporcional a la corriente de cortocircuito. Los elementos piezoeléctricos se pueden colocar en serie o en paralelo para desarrollar un rango deseado de voltaje de recolección. Por lo general, los recolectores piezoeléctricos producen potencia máxima cuando operan en torno a la mitad del voltaje del circuito abierto.

Imagen de la curva IV para el recolector piezoeléctrico

Figura 2: curva IV para el recolector piezoeléctrico

Otra consideración del nivel del sistema es administrar la energía recolectada de forma eficiente para asegurarnos de que la batería no se ha sobrecargado de manera accidental y que el procesamiento necesario para captar y administrar la energía no cuesta más en joules de lo que se puede almacenar. Por lo general, es lógico combinar una batería con un supercapacitor para evitar los problemas con la carga de una fuente no confiable.

Si bien es más fácil en principio controlar que una batería recargable, el voltaje bajo de los supercapacitores significa que generalmente se emplean en seria para lograr un voltaje compatible con la mayoría de los dispositivos electrónicos del sistema. Cuando se colocan en serie, la distribución de voltaje en la pila de los supercapacitores es, en principio, una función de capacitancia. No obstante, si la pila se mantiene con el mismo voltaje durante un periodo de tiempo, la distribución de voltaje cambia para convertirse en una función de la resistencia paralela interna debido a los efectos de la corriente de fuga.

Una técnica de diseño para reducir el cambio de voltaje provocado por la fuga es colocar una resistencia con cada supercapacitor. No obstante, esto aumenta la pérdida de energía, que no es un atributo deseado para los diseños de recolección de energía. El balance del supercapacitor activo es una respuesta más eficiente y es una de las características implementadas en LTC3331 de Linear Technology, uno de los distintos dispositivos que se han designado especialmente para abordar los problemas provocados al combinar baterías y la energía recolectada. Su disponibilidad reduce la necesidad de los diseñadores de sistema de implementar las soluciones discretas.

Diagrama de bloque de LTC3331 de Linear Technology

Figura 3: Aplicación típica para LTC3331, donde se muestra la conexión del equilibrador del supercapacitor a la derecha.

El equilibrador del supercapacitor activo en LTC3331 funcionará con dos dispositivos usando el pin BAL para realizar esta función. El controlador en LTC3331 origina y disipa activamente hasta 10 mA para regular el voltaje del pin BAL a la mitad del voltaje de salida del dispositivo. El equilibrador consume 150 nA. Si no se requiere un balance o se consume demasiada energía para la aplicación, se puede desactivar y la corriente de reposo se coloca en cero al conectar el pin BAL a tierra junto con el SCAP, que normalmente está conectado a Vout cuando está activo.

El núcleo de diseños como LTC3331 es un convertidor CC-CC reductor-reforzador diseñado para trabajar con los recolectores de energía típicos. Este convertidor se acopla para controlar los dispositivos electrónicos que se controlan cuando el convertidor elevador está activado. El controlador también puede realizar cálculos MPPT. El LTC3331, por ejemplo, funcionará con fuentes piezoeléctricas o fotovoltaicas y es ideal para usar en sistemas inalámbricos donde el consumo de energía promedio es muy bajo, pero demanda mayor cantidad de energía cuando los datos se deben transmitir a un concentrador o puerta de enlace. Esto consumirá energía del supercapacitor y, posiblemente, también de la batería según la cantidad de energía que se haya recolectado desde la última comunicación.

Con el LTC3331, cuando la energía recolectable está disponible, se transfiere a través del rectificador de puente donde se acumula en un capacitor de entrada. Un circuito de bloqueo de subvoltaje que opera con una corriente de reposo baja permite que el voltaje en el capacitor aumente hasta un limitador programado. Una vez que pase el umbral, el convertidor reductor se encenderá y transferirá la energía al riel de salida. Si el voltaje en el capacitor de entrada cae por debajo del umbral descendente, se establece generalmente en un punto diferente hasta el umbral ascendente para evitar la oscilación no deseada. El convertidor reductor se apaga y el convertidor reductor-reforzador se enciende para trabajar con la carga de la entrada de la batería a pesar de que la energía se puede continuar recolectando en el supercapacitor.

ADP5090 producido por Analog Devices ofrece un convertidor elevador para las fuentes termoeléctricas y solares de voltaje bajo que operan con voltajes de tan solo 380 mV. Ofrece una interfaz a la batería de respaldo o al supercapacitor así como soporte para MPPT.

Diagrama de aplicación para ADP5090 de Analog Devices

Figura 4: Diagrama de aplicación para ADP5090 con la conexión del capacitor para el almacenamiento del ajuste MPPT (CBP) hacia la izquierda.

El control MPPT se mantiene con la ayuda de un capacitor externo que se debe seleccionar para la fuga baja porque se toman muestras de la entrada del recolector mediante el circuito de control aproximadamente cada 19 segundos. Si el voltaje del capacitor cae, reduce la efectividad del controlador MPPT. La cerámica X7R o C0G de 10 nF de fuga baja ofrece niveles adecuados de rendimiento. Para admitir voltajes de recolección muy bajos, el ADP5090 incorpora una bomba de carga para permitir que el convertidor elevador se encienda con voltajes de entrada muy bajos. El circuito adicional verifica si el voltaje es tan bajo que al ejecutar el convertidor elevador para intentar recolectar la energía disponible se agotará realmente la batería.

Para las aplicaciones inalámbricas, donde los dispositivos electrónicos RF pueden ser muy sensibles al ruido, especialmente, con un funcionamiento de bajo consumo, el convertidor elevador-conmutación se puede detener temporalmente bajo el control de software o hardware al colocar al pin DIS-SW alto.

Otra opción es el bq25504 fabricado por Texas Instruments. El dispositivo puede arrancar en frío desde una entrada que ofrece el recolector de energía de 330 mV y admite voltajes mientras funciona con 80 mV. Esta entrada alimenta a un convertidor elevador que ejecuta a una corriente de reposo de 330 nA. Si bien bq25504 no incluye el control directo en una batería de respaldo, controla los voltajes máximos y mínimos según las condiciones de subvoltaje y sobrevoltaje programables por el usuario para prevenir daños al elemento de almacenamiento. Para ayudar con la administración de energía, el dispositivo controla un indicador de "batería buena" que alerta un microprocesador conectado cuando el voltaje en una batería de almacenamiento de energía o capacitor ha caído por debajo del nivel crítico preestablecido. Esto intenta activar el desbordamiento de las corrientes de carga para evitar que el sistema ingrese en una condición de subvoltaje.

Al ofrecer una manera de combinar la energía de la batería y la energía recolectada, las soluciones como LTC3331, ADP5090 y bq25504 facilitarán la implementación de los nodos de sensor IoT que pueden sobrevivir durante periodos prolongados de tiempo en una sola carga.

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