Mientras que las soluciones de IoT continúan creciendo, también lo hace la demanda de dispositivos de bajo consumo de energía que tengan la capacidad de funcionar con energía natural. Surgen las siguientes preguntas: ¿A qué desafíos se enfrentan los conversores de energía al recolectar energía? ¿Qué opciones de energía existen para los dispositivos? ¿Qué soluciones de semiconductores tienen disponibles los ingenieros?
¿Qué es la recolección de energía?
La recolección de energía, tal como el nombre lo sugiere, es el acto de recolectar energía para alimentar un dispositivo. A diferencia de los dispositivos a batería o alimentados por la red, un recolector de energía puede extraer energía del ambiente que lo rodea, lo que elimina la necesidad de una conexión eléctrica. Aunque las soluciones de recolección de energía son cada vez más comunes, el concepto de circuitos de recolección de energía existe desde hace décadas.
Un ejemplo de esto es una calculadora que incorpora pequeñas celdas solares que pueden funcionar bajo la luz ambiente. Tales calculadoras existen desde la década de 1990 y solo fueron posibles gracias al bajo consumo de energía de los chips de calculadoras básicas y a las pantallas LCD sin luces traseras.
Para los dispositivos que requieren más potencia, los recolectores de energía suelen hacer una carga lenta y continua de una batería o un capacitor pequeños, y cuando llega a una carga o una tensión específica, la energía se libera rápidamente. Aunque esto solo permite que el dispositivo funcione durante cortos períodos de tiempo, sí permite que este sea completamente independiente de fuentes de energía externas (es decir, puede funcionar hasta en los lugares más remotos).
Debido a que las fuentes de energía usadas por los recolectores de energía son generalmente limitadas, los dispositivos que usan la recolección de energía suelen tener funciones muy básicas. Pero la introducción de los sistemas en chip (SoC) de bajo gasto de energía y los circuitos integrados (IC) con administración de potencia avanzada está comenzando a abrir el mundo de la electrónica a los recolectores de energía como una fuente de energía posible. Entonces, ¿a qué desafíos se enfrentan los recolectores de energía? ¿Qué fuentes de energía existen? ¿Y qué soluciones existen en la actualidad para los ingenieros?
¿De dónde puede venir la energía?
En lo que respecta a los recolectores de energía, prácticamente cualquier fuente de energía que se produzca de manera natural en el medioambiente tiene el potencial de proporcionar energía. Estas fuentes de energía incluyen luz, viento, acción mecánica, temperatura, sonido y radio.
La luz es una de las fuentes de energía más comunes, ya que es muy abundante, pero no debe confundirse con la energía solar. Los paneles solares y las celdas solares se utilizan para regenerar electricidad cuando están expuestos a la luz del sol (de la misma manera que con un recolector de energía); sin embargo, a diferencia de los recolectores de energía, dejan de funcionar cuando no hay luz. Por otro lado, los recolectores de energía pueden funcionar incluso con bajos niveles de luz y se encuentran en calculadoras y pequeños dispositivos. Esto les da a los recolectores de energía de la luz la oportunidad de funcionar incluso a la noche, bajo la luz artificial (p. ej., luces de la calle y carteles de edificios). Además, el tamaño pequeño de las celdas solares en los recolectores de energía hace que sea fácil integrarlos en un diseño, y la falta de partes móviles ayuda a mejorar la confiabilidad cuando se utiliza en una ubicación remota.
El viento es otro ejemplo de una fuente de energía natural que puede recolectarse. Al igual que con los paneles solares, existe una clara diferencia entre una turbina de viento usada para generar grandes cantidades de energía y una que se miniaturiza para usar en un solo dispositivo. Un recolector de energía que utiliza el viento se configuraría para funcionar con suaves brizas causadas por la convección de aire, el flujo de aire entre edificios y el movimiento de un dispositivo por el aire. Sin embargo, incluso un recolector de energía del viento miniatura sería bastante grande, por eso casi nunca se usan (si se necesita energía del viento, probablemente se use una turbina).
También se pueden utilizar acciones mecánicas como fuente de energía para pequeños dispositivos, como, por ejemplo, la compresión, la tensión, la flexión y la aceleración. Generalmente se usa un elemento piezoeléctrico para convertir una fuerza mecánica en electricidad (p. ej., timbres y el pavimento). Los dispositivos portátiles pueden generar energía por el movimiento de los brazos mediante un imán suspendido por resortes que rodean una bobina. Estas fuentes de energía son ideales si un dispositivo suele experimentar fuerzas mecánicas frecuentes, pero el uso de piezas móviles puede generar un desgaste con el tiempo, y una energía mecánica dispareja podría dificultar su uso como fuente de energía confiable.
Los recolectores de energía también pueden extraer energía termal, siempre y cuando exista un gradiente térmico (es decir, tanto del lado caliente como del frío). Esto generalmente se explota con el uso de termopares que generan una tensión cuando se los expone a un gradiente térmico. Si el gradiente de temperatura es parejo, puede ser una fuente de energía muy confiable, pero la baja eficiencia de los termopares hace que su implementación sea poco práctica. Como los termopares están en estado sólido, no hay piezas móviles, lo que los hace una fuente confiable para el uso a largo plazo. Sin embargo, el uso de un generador termoeléctrico (TEG) dedicado puede ayudar a aumentar la energía recolectada de un gradiente térmico.
Las emisiones de radio de la actividad humana también les presentan a los recolectores de energía una opción energética muy viable. Las ondas de radio de los enrutadores de wifi, las redes celulares y las estaciones de radio pueden recolectarse para hacer funcionar dispositivos. De hecho, las radios de galena ubicadas cerca de una estación de radio pueden funcionar sin necesidad de energía adicional. Sin embargo, la mayoría de las fuentes de energía de radio son extremadamente pequeñas, y esto puede dificultar el funcionamiento de los recolectores de energía.
¿Qué desafíos presentan los conversores de potencia?
Aunque la energía existe naturalmente en el ambiente que nos rodea, acceder a esa energía presenta grandes desafíos. El primer problema importante que los recolectores de energía deben superar surge del hecho de que las fuentes de energía que se producen de forma natural son increíblemente pequeñas. Aunque las celdas solares pueden generar tensiones importantes, la energía producida por acciones mecánicas, vibración, radio y sonido apenas llega a los nanovatios. Considerando que la tensión y la corriente son proporcionales a la energía, la energía generada producirá una tensión o una corriente minúscula.
De esta forma, llegamos al primer gran problema que deben resolver los recolectores de energía: la extracción de energía. Un circuito de recolección de energía cuya tensión generada es demasiado baja no podrá activar los componentes del semiconductor debido a la necesidad de la tensión de polarización directa (p. ej., los diodos de silicio no conducen hasta que se observe una caída de tensión directa de 0,6 V).
Se puede aumentar la tensión modificando la naturaleza del recolector (p. ej., agregando más bucles a un inductor o aumentando la impedancia de entrada del recolector de energía), pero eso genera una corriente reducida. Una corriente reducida implica que se necesitará más tiempo para cargar un capacitor o una batería, y esto resultará en una relación menor entre operación y carga.
Si un recolector de energía puede superar este desafío, el segundo problema es cómo almacenar esa energía de manera confiable. Los capacitores son pequeños, pueden usarse para almacenar carga y pueden reaccionar rápidamente a una gran demanda de corriente, pero pueden tener pérdidas dependiendo de la tecnología utilizada. Además, el circuito de carga también tendrá un nivel inherente de perdida causado por componentes no ideales. Por lo tanto, un recolector de energía debe garantizar poder cargar más rápido que la tasa de descarga por pérdida natural.
El tercer desafío que enfrentan los recolectores de energía es determinar cuándo se almacenó suficiente energía para que pueda utilizarse para alimentar un dispositivo. Una de las formas más sencillas de hacer esto es utilizar un capacitor de un tamaño conocido y, luego, esperar que la tensión llegue a un cierto nivel (lo que corresponderá directamente con la energía almacenada) antes de pasarla a un conversor de potencia. Sin embargo, la misma acción de medir la tensión requiere energía (suponiendo que el circuito de detección de tensión esté basado en componentes activos), lo que obstaculiza la velocidad a la cual se puede cargar el sistema.
Una vez que se almacenó la cantidad correcta de energía, el desafío final es liberar la energía de manera eficiente a un dispositivo, con una tensión apropiada. Los reguladores lineales son muy buenos para proporcionar tensión de suministro sin ruidos, pero derrochan mucho; por lo tanto, los recolectores de energía utilizan reguladores de conmutación. Sin embargo, estos pueden producirle ruidos a un circuito; esto significa que hay que tener mucho cuidado durante la etapa de diseño.
En resumen, las fuentes de energía son demasiado pequeñas, lo que significa que las impedancias entre la fuente de energía y el recolector deben medirse correctamente; la pérdida de corriente hace que se deba seleccionar el componente con mucho cuidado; la baja tensión asociada con los recolectores de energía hace que se deban elegir componentes activos con caídas de baja tensión directa; y los conversores de potencia deben ser lo más eficientes posible.
¿Qué opciones tienen algunos dispositivos?
El desafío de necesitar potencia para impulsar componentes activos que monitoreen la energía almacenada en el momento puede superarse con el uso de baterías de celdas de bobina pequeña. Aunque tienen una capacidad extremadamente limitada, puede ser suficiente para alimentar los componentes del monitor por mucho tiempo (tal vez por años).
El único objetivo de esta batería es mantener una tensión de polarización que permita alimentar el circuito del monitor para que funcione y, si se utiliza la tecnología MOS, el diseño total consume una cantidad insignificante de corriente, lo que hace que la celda de bobina sea una opción viable. Sin embargo, el uso de una batería anula el objetivo de la recolección de energía, y el hecho de que la batería en algún momento se acabará no es una buena señal para las aplicaciones remotas.
Con respecto al almacenamiento de energía, los capacitores son ideales debido a su baja resistencia, su rápida carga y su capacidad de descarga, además de la facilidad de integración. Sin embargo, los supercapacitores permiten un almacenamiento mucho mayor a una menor tensión, y la operación de baja tensión los hace ideales para su uso con fuentes de energía de baja tensión.
Como la mayoría de las fuentes de energía son extremadamente pequeñas, también puede ser beneficioso para los ingenieros combinar múltiples fuentes de energía en un solo dispositivo. Por ejemplo, una pequeña celda solar en combinación con un generador termopar y piezoeléctrico puede usarse para recolectar energía de la luz, el sonido y el calor al mismo tiempo. Esto le proporciona más opciones de energía al dispositivo mientras que aumenta la velocidad de carga. De hecho, algunos IC de recolección de energía tienen entradas especiales para conectarse a múltiples fuentes de energía.
MAX17710 es un ejemplo de un IC diseñado pensando en la recolección de energía. El IC integra dos opciones de energía de entrada para diferentes fuentes de energía (una fuente de alta tensión y una fuente de baja tensión), un regulador de amplificación y una máquina de estado interno para conectarse a un microcontrolador. Además, MAX17710 también está diseñado para funcionar con baterías THINERGY MEC101, que son baterías planas de estado sólido. La delgadez de estas baterías, en combinación con su naturaleza de estado sólido, hace que sean compactas, seguras e ideales para utilizar en dispositivos remotos delgados.
El SPV1040 de STMicroelectronics es un ejemplo de un cargador de batería solar que está específicamente diseñado para recolectar energía de manera eficiente con el uso del seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Básicamente, un MPPT permite configurar el punto de carga de una celda solar para que sea lo más óptimo posible para una transferencia de potencia máxima, y el SPV104 utiliza esto para alcanzar hasta un 95 % de eficiencia. Además, el SPV1040 puede operar con hasta 0,3 V (es decir, tensiones muy pequeñas).
El e-peas AEM30940 es un IC de recolección de energía especializado que puede iniciarse solo por una tensión de entrada de 380 mV con una tensión de entrada de 3 µW. Al extraer energía de un RF suelto, el IC integra un MPPT para maximizar la transferencia de potencia desde la entrada de radio y el conversor de energía; puede operar con todas las opciones de almacenamiento, incluidas las baterías, los capacitores y los supercapacitores; y puede conectarse a una batería principal para un funcionamiento a prueba de fallas. Además, el AEM30940 integra múltiples reguladores de LDO para producir varias tensiones de salida necesarias en muchos microcontroladores modernos (p. ej., núcleo de 1,8 V y E/S de 3,3 V).
Conclusión
Al tratar de extraer energía del entorno circundante, los recolectores de energía deben enfrentarse a múltiples desafíos: la disponibilidad de energía, la necesidad de componentes activos para registrar los estados de carga, la pérdida de corriente de los componentes y las altas eficiencias que necesitan los conversores de potencia. Los límites fundamentales de los materiales del semiconductor previenen una operación de tensión ultrabaja, y la naturaleza dispareja de la energía natural hace que un funcionamiento confiable sea prácticamente imposible.
Sin embargo, se han dado grandes pasos en la recolección de energía y, en la actualidad, existen opciones para los ingenieros, como, por ejemplo, e-peas AEM30940 y MAX17710. Pero sin importar la tecnología que se utilice, lo mejor que un ingeniero puede hacer es elegir microcontroladores con requisitos de energía extremadamente pequeños, además de los que tienen modo de suspensión reforzada. Al final de cuentas, no es necesario preocuparse por almacenar grandes cantidades de energías si un diseño requiere poca energía.