Hacer que la recolección de energía funcione para dispositivos IoT periféricos

Las implementaciones de IoT continúan progresando a medida que las organizaciones buscan la transformación digital y la vida inteligente, en todas sus formas, es la clave para mejorar la calidad de vida y la sostenibilidad.

Los puntos finales de IoT tienden a ser sensores o, con menos frecuencia, actuadores que están conectados de forma inalámbrica a un dispositivo de agregación o puerta de enlace de Internet. A menudo se implementan en grandes cantidades y, en un escenario como ciudad inteligente, fábrica inteligente o agricultura inteligente, se dispersan en una gran área geográfica. El costo de llevar a cabo el mantenimiento de campo, como reemplazar las baterías primarias descargadas, suele ser prohibitivo. Además, las baterías desechadas representan una carga medioambiental cada vez más inaceptable.

Al diseñar terminales, los ingenieros pueden evitar la necesidad de reemplazar la batería al disponer un suministro de energía suficiente para que dure la vida útil esperada del dispositivo. Esto podría llevar varios años. Por lo general, es deseable un factor de forma de celda de moneda debido a limitaciones de tamaño. Si la energía almacenada no cumple con los requisitos del sistema, la instalación de una celda más grande puede ser una opción.

Una alternativa es rediseñar los circuitos para reducir la demanda de energía general del sistema por debajo del almacenamiento de celda disponible. Cualquiera de los dos enfoques, o una combinación de ambos, puede no alcanzar el objetivo.

La recolección de microenergía, del orden de microvatios o milivatios, puede proporcionar un suministro útil y potencialmente inagotable de energía eléctrica, capturada del medio ambiente. Esto puede complementar o reemplazar una celda primaria, según la aplicación y la energía ambiental disponible. Es posible que la energía recolectada y convertida alimente los circuitos directamente. Por otro lado, almacenar la energía en un búfer hasta que se necesite puede ser un enfoque más adecuado.

En cualquier caso, se requiere una fuente de energía ambiental adecuada, capaz de satisfacer las necesidades de la aplicación. Entre los diversos subsistemas del punto final de IoT, la radio coloca la demanda de energía más significativa. Puede ser instructivo analizar los requisitos aquí, para informar el diseño y la integración del sistema de recolección de energía.

Consumo de energía del subsistema de radio

Es fundamental elegir la tecnología inalámbrica más adecuada para proporcionar la velocidad de datos y el rango de comunicación requeridos con el menor consumo de energía posible.

Si el sensor se va a colocar a poca distancia de un agregador o puerta de enlace, como un concentrador o enrutador conectado a Internet oa través de un intercambio de telecomunicaciones local, una tecnología como Bluetooth, Zigbee o Wi-Fi puede ser adecuada, según sobre la velocidad de datos requerida y también sobre las limitaciones de costes. En otros casos, como cuando los puntos finales se distribuyen en un área geográficamente grande, es posible que se necesite una conexión LPWAN o celular. La Figura 1 compara el consumo de energía, la velocidad de datos, el rango máximo típico y los costos relativos de las principales tecnologías utilizadas en las aplicaciones de IoT.

El rango, la velocidad de datos y el consumo de energía también se pueden expresar numéricamente para ayudar en la comparación directa. Como muestra la figura 2, un subsistema inalámbrico puede consumir desde 150 µW hasta 400 mW.

Para comprender completamente los efectos sobre la demanda de energía general del sistema, también es necesario considerar el ciclo de trabajo. Las aplicaciones como los contadores de servicios inteligentes implican el envío de pequeños paquetes de datos unas cuantas veces al día o cada pocos días. Otros, como las cámaras de seguridad, pueden necesitar enviar grandes cantidades de datos con frecuencia o de forma continua. Dependiendo de la aplicación, el ciclo de trabajo puede reducirse filtrando los datos localmente dentro del sistema antes de transmitirlos; una cámara puede estar equipada con un sensor de movimiento para comenzar a grabar solo cuando se detecta actividad, o el procesamiento de imágenes incrustado puede descartar datos poco interesantes. Por supuesto, la energía necesaria para filtrar los datos debe compararse con la energía ahorrada al reducir el ciclo de trabajo, para garantizar un beneficio neto.

Fuentes de energía ambiental

Habiendo adquirido una comprensión de la energía y la potencia que demanda el subsistema inalámbrico, es posible evaluar las fuentes ambientales adecuadas y las tecnologías de recolección de microenergía.

Las principales tecnologías de micro recolección de energía adecuadas para alimentar estos sistemas son conjuntos de células solares, convertidores piezoeléctricos o electrostáticos activados por vibraciones y dispositivos Peltier que convierten un gradiente de temperatura en una fuerza electromotriz (EMF). Las fuentes de energía de RF capturadas a través de antenas de parche o de bobina tienden a ser inadecuadas para todas las aplicaciones de IoT, excepto para las más austeras. La Figura 3 compara las densidades de energía típicas asociadas con estas tecnologías. Con esta información, es posible seleccionar una tecnología y comenzar a desarrollar una especificación evaluando los tamaños y el rendimiento de los componentes disponibles.

Células solares con un área de 35-40 cm ² puede generar alrededor de 0,5 vatios, asumiendo una eficiencia de alrededor del 20%. Estos están disponibles por menos de 1 USD cada uno en volumen, mientras que las cosechadoras piezoeléctricas suelen ser al menos un orden de magnitud más caras y producen menos energía. Se sabe que las células solares son menos eficientes cuando se utilizan en interiores. Sin embargo, recientemente se han introducido algunos recolectores solares de interior que afirman ofrecer suficiente salida para radios de baja potencia.

Reuniéndolo todo

Aprovechando avances como estos, la recolección de microenergía se puede considerar como una solución para reducir o eliminar las baterías en los puntos finales de IoT. Debido a que las fuentes de energía en sí mismas a menudo son irregulares y no necesariamente están disponibles cuando el dispositivo de IoT necesita transmitir o recibir datos, generalmente se necesita un búfer de energía o un dispositivo de almacenamiento. Puede ser una batería recargable o un condensador (o supercondensador). Se necesita un IC de gestión de energía de recolección de energía (EH PMIC) para manejar la energía del subsistema de recolección, administrar la carga suministrada al búfer de energía y alimentar la carga cuando sea necesario, como se muestra en la figura 4. Las diversas tecnologías de recolección de energía han Diferentes características eléctricas. Los recolectores termoeléctricos producen corriente continua continua a bajo voltaje y, por lo tanto, son de baja impedancia. Si bien las células solares también producen un voltaje de CC bajo, la corriente y, por lo tanto, la impedancia, varía con el nivel de luz.

Los EH PMICS típicos del mercado actual tienen una arquitectura fija y un rango de voltaje de entrada diseñado para funcionar con un tipo particular de cosechadora. Esto excluye el uso de un recolector alternativo para capturar energía ambiental adicional si una fuente por sí sola no puede satisfacer los requisitos del sistema. Si se necesitan varias fuentes de energía, por lo tanto, se necesita un EH PMIC dedicado para cada una. Esto aumenta el costo, el tamaño y el consumo de energía del sistema, y ​​también puede complicar el diseño.

Algunos EH PMIC se pueden modificar utilizando circuitos externos para acondicionar la salida del recolector de energía. Sin embargo, para simplificar el diseño del sistema, los PMIC EH de Trameto, llamados OptiJoule, proporcionan entradas que se adaptan de forma autónoma a varios tipos de recolectores conectados y maximizan la potencia entregada al búfer, sin requerir circuitos externos. Hay versiones disponibles para entradas individuales o con hasta cuatro entradas. Las versiones de múltiples entradas ofrecen la flexibilidad de conectar tipos de cosechadoras similares o diferentes. Por lo tanto, con los dispositivos OptiJoule, es posible escalar la capacidad de recolección de microenergía, usar un solo PMIC para múltiples aplicaciones e incluso retrasar la selección de la tecnología de recolección de energía hasta más adelante en el desarrollo de un producto si es necesario.

Conclusión

A través de desarrollos en protocolos de radio optimizados, diseño de microprocesadores de baja energía, sensores de baja potencia y la creciente eficiencia de la recolección de micro energía, la energía ambiental se ha convertido en una fuente viable para ayudar a reducir o eliminar la dependencia de las baterías y extender la vida útil operativa de los puntos finales de IoT en el campo. Los últimos desarrollos en EH PMIC permiten una flexibilidad adicional para administrar el tamaño, el costo y la complejidad al integrar tecnologías de recolección de microenergía seleccionadas.