Ciertamente no hay ningún secreto aquí: los dispositivos habilitados para Internet de las cosas son cada vez más comunes en casas, fábricas y empresas. Ya sea un factor de forma más pequeño, una mayor eficiencia, un mejor consumo de corriente o tiempos de carga más rápidos, los clientes tienen una larga lista de demandas para la nueva generación de estos productos. En este artículo, aprenda cómo la tecnología de administración de baterías más reciente de Analog Devices lo ayuda a optimizar el rendimiento de futuros dispositivos portátiles.
¿Qué es la Internet de las cosas?
Esta particular área de uso de la Internet de las cosas viene en muchas apariencias diferentes. Generalmente se refiere a un dispositivo electrónico inteligente conectado a la red que probablemente funciona a batería y envía datos precalculados a la infraestructura basada en la nube. Utiliza una combinación de sistemas integrados, como procesadores, circuitos integrados de comunicación y sensores para recopilar, responder y enviar datos de vuelta a un punto central u otro nodo en la red. Esto puede ser cualquier cosa desde un simple sensor de temperatura que informa la temperatura ambiente a un área de monitoreo central, hasta un monitor de estado de máquinas que rastrea el estado a largo plazo de equipos de fábrica muy costosos.
En última instancia, estos dispositivos se desarrollan para superar un desafío en particular, ya sea automatizar tareas que normalmente requerirían de intervención humana, como la automatización de hogares o de edificios, o tal vez mejorar la capacidad de uso y la longevidad de los equipos en el caso de aplicaciones industriales con Internet de las cosas, o incluso mejorar la seguridad si considera aplicaciones de monitoreo basadas en el estado implementadas en aplicaciones basadas en estructuras, como puentes.
Usos de ejemplo
Las áreas de uso de dispositivos con Internet de las cosas son prácticamente infinitas, ya que cada día se diseñan nuevos dispositivos y casos de uso. Las aplicaciones basadas en transmisores inteligentes recopilan datos sobre el entorno en el que se encuentran para tomar decisiones sobre cómo controlar el calor, emitir alarmas o automatizar tareas en particular. Adicionalmente, los instrumentos portátiles como medidores de gas y sistemas de medición de la calidad del aire proporcionan una medición precisa a través de la nube hasta un centro de control. Los sistemas de seguimiento por GPS son otro uso. Permiten el seguimiento de contenedores de envío y de ganado, como vacas, mediante crotales inteligentes. Estos comprenden solo una pequeña área de los dispositivos conectados a la nube. Entre otras áreas se encuentran aplicaciones de atención de salud y detección de infraestructura portátiles.
Una área de crecimiento significativo son las aplicaciones industriales con Internet de las cosas, que son parte de la cuarta revolución industrial en donde las fábricas inteligentes tienen un rol central. Hay una amplia gama de aplicaciones con Internet de las cosas que tratan en última instancia de automatizar tanto como sea posible las fábricas, ya sea mediante el uso de vehículos guiados automatizados (AGV, por sus siglas en inglés), sensores inteligentes como etiquetas de radiofrecuencia o medidores de presión, u otros sensores ambientales instalados alrededor de la fábrica.
Desde la perspectiva de ADI, el enfoque de alto nivel de la Internet de las cosas se ha centrado en cinco áreas principales:
- Salud inteligente: compatible con aplicaciones de monitoreo de signos vitales tanto a nivel clínico como de consumo.
- Fábricas inteligentes: centradas en construir la Industria 4.0 haciendo que las fábricas tengan una mejor capacidad de respuesta, y sean flexibles y eficientes.
- Edificios o ciudades inteligentes: utilizan sensores inteligentes para la seguridad de los edificios, la detección de ocupación de espacios de estacionamiento, así como el control térmico y eléctrico.
- Agricultura inteligente: el uso de la tecnología disponible para permitir la agricultura automatizada y la eficiencia en el uso de recursos.
- Infraestructura inteligente: aprovechar nuestra tecnología de monitoreo basada en el estado para monitorear el movimiento y el estado estructural.
Desafíos en el diseño de la Internet de las cosas
¿Cuáles son los desafíos clave que enfrenta un diseñador en el espacio en constante cambio de la Internet de las cosas? La mayoría de estos dispositivos, o nodos, se instalan con posterioridad o en áreas de difícil acceso, por lo que no es posible suministrarles energía. Esto por cierto significa que dependen en su totalidad de baterías o de recolección de energía como fuente de energía.
Distribuir la energía en instalaciones de gran tamaño puede ser algo muy costoso. Por ejemplo, considere alimentar un nodo de Internet de las cosas remoto en una fábrica. La idea de tender un nuevo cable de alimentación para energizar este dispositivo es costosa y también demorosa, lo que esencialmente deja la energía a baterías o la recolección de energía como las opciones restantes para alimentar estos nodos remotos.
La dependencia de la energía de baterías introduce la necesidad de respetar un riguroso presupuesto de energía para asegurarse de maximizar la duración de las baterías, lo que por cierto genera un impacto en el costo total de propiedad del dispositivo. Otra desventaja del uso de baterías es la necesidad de reemplazarlas después que haya expirado su vida útil. Esto incluye no solo el costo de las mismas baterías, sino que también el alto costo de la mano de obra humana para reemplazar y posiblemente desechar las baterías antiguas.
Una consideración adicional sobre el costo y el tamaño de las baterías: es muy fácil simplemente sobrediseñar las baterías para garantizar que haya capacidad suficiente para lograr el requerimiento de duración, lo que normalmente es superior a 10 años. Sin embargo, el sobrediseño tiene como resultado costos y tamaños adicionales, por lo que es muy importante no solo optimizar el presupuesto de energía, sino que también minimizar el consumo de energía donde sea posible para instalar la batería más pequeña posible que aún cumpla los requisitos de diseño.
La energía en la Internet de las cosas
Para los fines de este análisis sobre la energía, las fuentes de energía para las aplicaciones con Internet de las cosas se pueden considerar como tres escenarios:
- Dispositivos que dependen de la energía de una batería no recargable (batería primaria)
- Dispositivos que requieren baterías recargables
- Dispositivos que utilizan la recolección de energía para proporcionar energía al sistema
Estas fuentes se pueden utilizar individualmente o, como alternativa, combinarse si la aplicación lo requiere.
Aplicaciones de batería primaria
Ya tenemos presente la existencia de diferentes aplicaciones de batería primaria, que también se conocen como aplicaciones de baterías no recargables. Están orientadas a aplicaciones en las que solo se utiliza energía ocasionalmente, es decir, el dispositivo se enciende ocasionalmente antes de volver al modo de suspensión profunda, donde consume una energía mínima. La principal ventaja de utilizar esto como fuente de energía es que proporciona una alta densidad de energía y un diseño más simple, ya que no es necesario proveer de circuitos de carga o administración de baterías, así como un menor costo, ya que las baterías son más baratas y se requieren menos componentes electrónicos. Se adaptan bien a aplicaciones de bajo costo y de bajo drenaje de energía, pero debido a que estas baterías tienen una duración determinada, no se adaptan bien a aplicaciones donde el consumo de energía sea un poco mayor, por lo que esto representa un costo tanto por el reemplazo de las baterías como por el técnico de servicio que debe reemplazar las baterías.
Considere una instalación de Internet de las cosas con muchos nodos. Como tiene un técnico en terreno reemplazando las baterías de un dispositivo, muy a menudo todas las baterías se terminan reemplazando al mismo tiempo para ahorrar costos de mano de obra. Por cierto que esto es un desperdicio y no hace más que agravar nuestro problema mundial de desechos. Además de eso, las baterías no recargables proporcionan solo alrededor del 2 % de la energía que se usa para fabricarlas en primer lugar. Aproximadamente el 98 % de la energía desperdiciada las convierte en una fuente de alimentación muy poco económica.
Obviamente, sí tienen un lugar en las aplicaciones basadas en la Internet de las cosas. Su costo inicial relativamente bajo las convierte en ideales para aplicaciones de menor potencia. Existen de muchos tipos y tamaños disponibles, y como no necesitan muchos componentes electrónicos adicionales para su carga o administración, son una solución simple.
Desde una perspectiva de diseño, el desafío principal es aprovechar al máximo la energía disponible de estas pequeñas fuentes de energía. Para ese fin, se debe emplear mucho tiempo en la creación de un presupuesto de energía para asegurarse de maximizar la duración de la batería, en donde 10 años es un objetivo de duración común.
Para aplicaciones de baterías primarias, vale la pena considerar dos piezas de nuestra familia de productos de nanopotencia: el contador de coulomb de nanopotencia LTC3337 y el regulador buck de nanopotencia LTC3336, que se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Circuito de aplicación LTC3337 y LTC3336.
El LTC3336 es un convertidor de CC a CC de baja potencia que funciona con una entrada de hasta 15 V con nivel de corriente de salida pico programable. La entrada puede ser de un mínimo de 2,5 V, lo que la convierte en ideal para aplicaciones que funcionan a batería.
La corriente de reposo es excepcionalmente baja a 65 nA, mientras se regula sin carga. En lo que respecta a los convertidores de CC a CC, es bastante fácil de configurar y usar en un nuevo diseño. La tensión de salida se programa en base a la manera en que están instalados los pines OUT0 a OUT3.
El dispositivo que acompaña al LTC3336 es el LTC3337, un monitor de estado y contador de coulomb con batería primaria de nanopotencia. Este es otro dispositivo fácil de usar con un nuevo diseño: simplemente fije los pines IPK de acuerdo con la corriente máxima requerida, que se encuentra en la región de 5 mA a 100 mA. Realice un par de cálculos en base a la batería que seleccione, luego complete el capacitor de salida recomendado basándose en la corriente pico que seleccionó, la que se anota en la hoja de datos.
En última instancia, se trata de un emparejamiento fantástico de dispositivos para aplicaciones de Internet de las cosas con un presupuesto de energía limitado. Estas piezas pueden monitorear de manera precisa el consumo de energía de la batería primaria y convertir de manera eficaz la salida a una tensión utilizable del sistema.
Aplicaciones de baterías recargables
Pasemos a las aplicaciones recargables. Son una buena opción para aplicaciones de Internet de las cosas de mayor potencia o mayor demanda, donde la frecuencia de reemplazo de la batería primaria no es una opción. Una aplicación de baterías recargables tiene un mayor costo de implementación, debido al costo inicial de las baterías y el circuito de carga; pero en aplicaciones de mayor demanda, donde las baterías se agotan y se cargan de manera frecuente, el costo se justifica y se recupera pronto.
Según la química que se use, una aplicación de baterías recargables puede tener una energía inicial menor que una celda primaria, pero en un plazo más largo es la opción más eficiente y, en general, genera menos desechos. Según las necesidades de potencia, otra opción es el almacenamiento de capacitores o supercapacitores, pero se trata de almacenamiento de reserva de más corto plazo.
La carga de baterías involucra varios modos y perfiles de especialistas diferentes, según la química que se use. Por ejemplo, en la Figura 2 se muestra un perfil de carga de batería de iones de litio. En la parte inferior se encuentra la tensión de la batería y la corriente de carga se encuentra en el eje vertical.
Figura 2. Corriente de carga versus tensión de la batería.
Cuando la batería está muy descargada, como se muestra a la izquierda de la Figura 2, el cargador debe ser lo suficientemente inteligente como para ponerla en modo de precarga para aumentar lentamente la tensión de la batería a un nivel seguro antes de ingresar al modo de corriente constante.
En el modo de corriente constante, el cargador empuja la corriente programada hacia la batería hasta que la tensión de la batería aumenta a la tensión de flotación programada.
Tanto la corriente como la tensión programadas las define el tipo de batería que se use: la corriente de carga está limitada por la velocidad de descarga y el tiempo de carga que se requiere, y la tensión de flotación se basa en lo que sea seguro para la batería. Los diseñadores del sistema pueden reducir un poco la tensión de flotación para ayudar con la duración de la batería si lo requiere el sistema: como todo lo relacionado con potencia, se trata de compensaciones.
Cuando se alcanza la tensión de flotación, se puede observar que la corriente de carga cae a cero y esta tensión se mantiene por un tiempo según el algoritmo de terminación.
En la Figura 3 se proporciona un gráfico diferente para una aplicación de 3 celdas que muestre el comportamiento a lo largo del tiempo. La tensión de la batería se muestra en rojo y la corriente de carga en azul. Comienza en modo de corriente constante, alcanzando un máximo de 2 A hasta que la tensión de la batería alcanza el umbral de tensión constante de 12,6 V. El cargador mantiene esta tensión durante el período de tiempo que define el temporizador de terminación; en este caso, una ventana de 4 horas. Este tiempo es programable en muchas piezas de cargador.
Figura 3. Tensión o corriente de carga versus tiempo.
En la Figura 4 se muestra un buen ejemplo de un cargador de batería buck versátil, el LTC4162, que puede proporcionar una corriente de carga de hasta 3,2 A y es adecuado para una variedad de aplicaciones, entre las que se encuentran instrumentos portátiles y aplicaciones que requieren baterías de mayor tamaño o baterías multicelda. También se puede usar para cargar desde fuentes solares.
Figura 4. El LTC4162, un cargador de batería buck de 3,2 A.
Aplicaciones de recolección de energía
Al trabajar con aplicaciones de Internet de las cosas y sus fuentes de energía, otra opción que se debe considerar es la recolección de energía. Por cierto, hay varias consideraciones para el diseñador del sistema, pero no se puede menospreciar el atractivo de la energía gratuita, especialmente para aplicaciones en donde los requisitos de potencia no sean demasiados y la instalación sea manos libres; es decir, que ningún técnico de servicio pueda acceder a ella.
Existen muchas fuentes de energía diferentes entre las cuales escoger y no es necesario que sean una aplicación en exteriores para aprovecharlas. La energía solar, así como la energía piezoeléctrica o vibratoria, la energía termoeléctrica e incluso la energía de radiofrecuencia se pueden recolectar (aunque tiene un nivel de potencia muy bajo).
La Figura 5 proporciona un nivel de energía aproximado cuando se utilizan diferentes métodos de recolección.
Figura 5. Fuentes de energía y niveles aproximados disponibles para varias aplicaciones.
En cuanto a las desventajas, el costo inicial es mayor en comparación con las otras fuentes de energía mencionadas anteriormente, ya que se necesita un elemento de recolección, como un panel solar, un receptor piezoeléctrico o un elemento Peltier, así como el CI de conversión de energía y los componentes habilitadores asociados.
Otra desventaja es el tamaño general de la solución, en particular cuando se compara con una fuente de energía como una pila tipo botón. Es difícil lograr una solución de tamaño pequeño con un recolector de energía y un CI de conversión.
En cuanto a la eficiencia, esto puede ser engañoso para administrar niveles de energía bajos. Esto se debe a que muchas de las fuentes de energía son de CA, por lo que necesitan rectificación. Para hacer esto se utilizan diodos. El diseñador debe lidiar con la pérdida de energía resultante de sus propiedades inherentes. El impacto de esto se aminora a medida que aumenta la tensión de entrada, pero eso no siempre es posible.
Los dispositivos que surgen en la mayoría de las conversaciones sobre recolección de energía son de la familia de productos ADP509x y el LTC3108, los que pueden albergar una amplia gama de fuentes de recolección de energía con varias rutas de potencia y opciones de administración de carga programables que ofrecen la más alta flexibilidad de diseño. Se puede utilizar un sinfín de fuentes de energía para alimentar el ADP509x, pero también para extraer energía de esa fuente de alimentación para cargar una batería o alimentar una carga del sistema. Para alimentar el nodo de Internet de las cosas se puede utilizar desde energía solar (tanto en interiores como en exteriores) hasta generadores termoeléctricos para extraer energía térmica del calor corporal en aplicaciones portátiles o el calor del motor. Otra opción es recolectar energía de una fuente piezoeléctrica, lo que agrega otra capa de flexibilidad: esta es una buena opción para extraer energía de un motor en funcionamiento, por ejemplo.
Figura 6. Diagrama de bloques del ADP5090 en una aplicación de recolección.
Otro dispositivo que tiene la capacidad de recibir alimentación de una fuente piezoeléctrica es el ADP5304, que funciona con una corriente de reposo muy baja (normalmente 260 nA sin carga), lo que lo convierte en ideal para aplicaciones de recolección de energía de baja potencia. En la hoja de datos se comparte un circuito de aplicación de recolección de energía típico (consulte la Figura 7), alimentado a partir de una fuente piezoeléctrica y que se usa para suministrar energía a un ADC o un circuito integrado de RF.
Figura 7. Circuito de aplicación de fuente piezoeléctrica de ADP5304.
Administración de energía
Otra área que debiera ser parte de cualquier conversación sobre aplicaciones con un presupuesto de energía limitado es la administración de energía. Esto comienza con el desarrollo de un cálculo del presupuesto de energía para la aplicación antes de buscar diferentes soluciones de administración de potencia. Este paso esencial ayuda a los diseñadores de sistemas a comprender los componentes clave que se utilizan en el sistema y la cantidad de energía que requieren. Esto afecta su decisión de seleccionar una batería primaria, batería recargable, recolección de energía o una combinación de estas opciones como metodología de suministro de energía.
La frecuencia con la que el dispositivo con Internet de las cosas recopila una señal y la envía de vuelta al sistema central o la nube es otro detalle importante al considerar la administración de energía, lo que genera un gran impacto en el consumo general de energía. Una técnica común es realizar un ciclo de trabajo del consumo de energía o ampliar el tiempo entre activar el dispositivo para recopilar o enviar datos.
El uso de los modos de espera en cada uno de los dispositivos electrónicos (si están disponibles) también es una herramienta útil al intentar administrar el consumo de energía del sistema.
Conclusión
Al igual que con todas las aplicaciones electrónicas, es importante considerar la parte de administración de potencia del circuito tan pronto como sea posible. Esto es incluso más importante en aplicaciones con limitaciones de potencia como Internet de las cosas. La elaboración de un presupuesto de energía al principio del proceso puede ayudar al diseñador del sistema a identificar la ruta más eficaz y los dispositivos más adecuados que cumplen los desafíos que imponen estas aplicaciones, mientras aún logran una importante eficiencia energética en una solución de tamaño pequeño.
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