Mentre continuano a prosperare le soluzioni IoT, cresce anche la domanda di dispositivi a basso consumo energetico con la capacità di funzionare grazie all'energia naturale. Sorgono quindi alcune domande: quali sfide devono affrontare i convertitori durante la raccolta di energia? Quali opzioni energetiche esistono per i dispositivi? Quali soluzioni di semiconduttori sono disponibili per i progettisti?
Che cos'è la raccolta di energia?
La raccolta di energia, come suggerisce il nome, è l'atto di raccogliere energia per alimentare un dispositivo. A differenza dei dispositivi alimentati a batteria o dalla rete, un dispositivo che raccoglie energia è in grado si estrarre corrente dall'ambiente circostante, eliminando così la necessità di un collegamento per l'alimentazione. Mentre le soluzioni per la raccolta di energia stanno diventando più comuni solo ora, l'idea dei circuiti di raccolta dell'energia esiste da decenni.
Un esempio di tale dispositivo è una calcolatrice dotata di piccole celle solari in grado di funzionare con la luce ambientale. Queste calcolatrici esistono dagli anni '90 ed erano possibili solo grazie al basso consumo energetico dei chip di calcolo di base e dei display LCD senza retroilluminazione.
Per i dispositivi che richiedono più corrente, i raccoglitori di energia spesso caricano pian piano un piccolo condensatore o una batteria e quando viene raggiunta una carica o una tensione specifica, la corrente viene rilasciata rapidamente. Sebbene questo sistema consenta a un dispositivo di essere operativo solo per brevi periodi di tempo, gli permette comunque di essere completamente indipendente da qualsiasi fonte di alimentazione esterna (quindi, ad esempio, tale dispositivo potrà funzionare nei luoghi più remoti).
Poiché le fonti di energia utilizzate dai dispositivi di raccolta sono spesso limitate, tali soluzioni sono state storicamente limitate a funzioni molto basilari. Tuttavia, l'introduzione dei System-on-a-Chip (SoC) a basso consumo e dei circuiti integrati (IC) di gestione avanzata dell'alimentazione sta iniziando ad aprire il mondo dell'elettronica ai dispositivi di raccolta come valida fonte di energia. Quindi, quali sfide devono affrontare i raccoglitori di energia? Quali fonti di alimentazione esistono? E quali soluzioni hanno attualmente a disposizione i progettisti?
Da dove può venire l'energia?
Quando parliamo di raccoglitori di energia, qualsiasi fonte di energia che si trova naturalmente nell'ambiente ha il potenziale per fornire corrente. Tali fonti includono luce, vento, azione meccanica, temperatura, suono e onde radio.
La luce è una delle fonti di energia più comuni in quanto è molto abbondante, ma non deve essere confusa con il solare. I pannelli e le celle solari vengono utilizzati per generare elettricità quando sono esposti alla luce solare, come succede con i raccoglitori di energia; a differenza di quest'ultimi, tuttavia, essi cessano essenzialmente di funzionare quando sono in ombra. Un raccoglitore di energia basato sulla luce, invece, è in grado di funzionare anche in condizioni di scarsa illuminazione e lo si può trovare comunemente su calcolatrici e piccoli dispositivi. Ciò consente ai raccoglitori di energia basati sulla luce di funzionare anche di notte con l'illuminazione artificiale (ad esempio, lampioni e segnaletica per edifici). Inoltre, le ridotte dimensioni delle celle solari utilizzate per i raccoglitori di energia ne facilitano l'integrazione nei progetti e l'assenza di parti mobili contribuisce a migliorarne l'affidabilità, fondamentale quando vengono utilizzate in ubicazioni remote.
Il vento è un altro esempio di fonte naturale di energia che può essere raccolta. Come per i pannelli solari, c'è una chiara differenza tra una turbina eolica utilizzata per generare notevoli quantità di corrente e un dispositivo miniaturizzato che può essere utilizzato con un unico dispositivo. Un raccoglitore di energia che utilizza il vento sarebbe configurato per funzionare con brezze leggere causate dalla convezione dell'aria, dal flusso d'aria attraverso gli edifici e dal movimento di un dispositivo nell'aria. Tuttavia, anche un raccoglitore eolico in miniatura avrebbe dimensioni considerevoli, motivo per cui vengono utilizzati raramente (se si desidera utilizzare l'energia eolica, si procederà più probabilmente all'installazione di una turbina).
Anche l'azione meccanica può essere utilizzata come fonte di energia per piccoli dispositivi. In tali casi si possono sfruttare, ad esempio, compressione, tensione, flessione e accelerazione. In genere, si utilizza un elemento piezoelettrico per convertire una forza meccanica in elettricità (ad esempio nel caso di campanelli e manti stradali). I dispositivi indossabili possono generare energia dal movimento delle braccia tramite un magnete tenuto sospeso da molle che circondano una bobina. Tali fonti di energia sono l'ideale se si prevede che un dispositivo sarà sottoposto a frequenti forze meccaniche, ma l'uso di parti mobili può causare usura nel tempo e un'energia meccanica non costante può renderne difficile l'utilizzo come fonte di energia affidabile.
I raccoglitori di energia possono anche estrarre energia termica, purché esista un gradiente termico (cioè se ci sono sia un lato caldo che un lato freddo). Questo meccanismo di solito viene sfruttato con l'uso di termocoppie che generano una tensione quando sono esposte a un gradiente termico. Se il gradiente di temperatura è costante, può costituire una fonte di energia molto affidabile, ma la bassa efficienza delle termocoppie le rende poco pratiche da implementare. Poiché le termocoppie sono a stato solido, non ci sono parti mobili e ciò le rende affidabili per l'uso a lungo termine. Tuttavia, l'uso di un generatore termoelettrico (TEG) dedicato può contribuire ad aumentare l'energia raccolta tramite un gradiente termico.
Le emissioni radio delle attività umane presentano anch'esse una valida opzione energetica per i raccoglitori di energia. Le onde radio di router Wi-Fi, reti cellulari e stazioni radio possono essere tutte raccolte per alimentare dispositivi. Infatti, le radio a galena poste vicino a una stazione radio possono funzionare senza bisogno di alimentazione aggiuntiva. Tuttavia, la maggior parte delle fonti di energia radio sono estremamente ridotte e ciò può rendere difficile il funzionamento dei raccoglitori di energia.
Quali sfide devono affrontare i convertitori di corrente?
Sebbene l'energia esista naturalmente nell'ambiente che ci circonda, sfruttarla pone delle sfide significative. Il primo grande ostacolo che i raccoglitori di energia devono superare deriva dal fatto che le fonti di energia presenti in natura sono incredibilmente piccole. Mentre le celle solari sono in grado di generare tensioni considerevoli, l'energia prodotta da azione meccanica, vibrazioni, onde radio e suono può essere nell'ordine dei nanowatt. Considerando che la tensione e la corrente sono entrambe proporzionali alla potenza, la potenza generata produrrà una quantità minuscola di tensione o corrente.
Così si arriva al primo grande ostacolo che devono affrontare i raccoglitori di energia: l'estrazione dell'energia. Un circuito di raccolta dell'energia che genera una tensione troppo bassa non sarà in grado di attivare i componenti a semiconduttore a causa della necessità di polarizzazione della tensione diretta (ad esempio, i diodi al silicio non condurranno corrente fino a quando non si osserverà una caduta di tensione diretta di 0,6 V).
L'aumento della tensione può essere ottenuto modificando la natura del raccoglitore (ad esempio, aggiungendo più spire a un induttore o aumentando l'impedenza di ingresso del raccoglitore di energia), ma ciò si traduce in una corrente ridotta. Una corrente ridotta implica che sarà necessario più tempo per caricare un condensatore o una batteria e ciò si traduce in un rapporto inferiore tra carica e funzionamento.
Se un raccoglitore di energia riesce a superare questa sfida, il secondo passo è accumulare in modo affidabile quell'energia. I condensatori sono piccoli, possono essere utilizzati per accumulare la carica e sono in grado di reagire rapidamente a una notevole domanda di corrente; tuttavia, possono essere soggetti a perdite, a seconda della tecnologia utilizzata. Inoltre, anche il circuito di carica presenterà un certo livello di perdita intrinseca causata da componenti non ideali. Pertanto, un raccoglitore di energia deve garantire di potersi caricare più rapidamente di quella che è la velocità di scarica determinata dalla dispersione naturale.
La terza sfida affrontata dai raccoglitori di energia è determinare quando è stata accumulata abbastanza energia da poter alimentare un dispositivo. Uno dei metodi più semplici per eseguire questa operazione è utilizzare un condensatore di una dimensione nota e attendere che la tensione raggiunga un determinato livello (che corrisponderà in modo diretto all'energia accumulata) prima di dirottarla su un convertitore di corrente. Tuttavia, l'atto stesso di misurare la tensione richiede energia (supponendo che il circuito di rilevamento della tensione sia basato su componenti attivi) e questo ostacola la velocità alla quale il sistema è in grado di caricarsi.
Una volta che è stata accumulata la quantità giusta di energia, la sfida finale è rilasciarla in modo efficiente a un dispositivo a una tensione adeguata. I regolatori lineari sono dei dispositivi eccellenti per fornire tensioni di alimentazione prive di rumore, ma sono estremamente dispendiosi, pertanto i raccoglitori di energia utilizzano dei regolatori di commutazione. Tuttavia, queste soluzioni possono introdurre rumore in un circuito e ciò implica che è necessario prestare molta attenzione durante la fase di progettazione.
In sintesi, le fonti di energia sono spesso di dimensioni estremamente ridotte, il che significa che le impedenze tra la fonte di energia e il raccoglitore devono essere correttamente dimensionate. La dispersione di corrente implica che la selezione dei componenti deve essere effettuata con attenzione. Le basse tensioni associate ai raccoglitori di energia comportano la scelta di componenti attivi con cadute ridotte di tensione diretta e i convertitori di corrente devono essere il più efficienti possibile.
Quali opzioni hanno alcuni dispositivi?
La sfida della necessità di alimentazione per azionare i componenti attivi che monitorano l'energia attualmente accumulata può essere affrontata usando piccole batterie a bottone. Sebbene tali batterie abbiano una capacità estremamente limitata, può essere abbastanza significativa da far funzionare i componenti del dispositivo di monitoraggio per un periodo di tempo estremamente lungo (potenzialmente anni).
L'unico scopo di una di queste batterie è mantenere una tensione di polarizzazione che consenta ai circuiti di monitoraggio dell'alimentazione di funzionare e, se viene utilizzata la tecnologia MOS, l'intero progetto consumerà una quantità insignificante di corrente, rendendo la batteria a bottone un'opzione valida. Tuttavia, l'uso di una batteria vanifica lo scopo della raccolta di energia e il fatto che la batteria alla fine si esaurisca non fa ben sperare per le applicazioni remote.
Per quanto riguarda l'accumulo di energia, i condensatori risultano i componenti ideali grazie alla loro bassa resistenza, alla capacità di carica e scarica rapida e alla facilità di integrazione. Tuttavia, i supercondensatori consentono capacità di accumulo molto maggiori a tensioni inferiori e il loro funzionamento a bassa tensione li rende una scelta eccellente anche per l'uso con fonti di alimentazione a bassa tensione.
Poiché la maggior parte delle fonti di energia è estremamente piccola, per gli ingegneri può anche essere vantaggioso combinare più fonti in un unico dispositivo. Ad esempio, una piccola cella solare in combinazione con una termocoppia e un generatore piezoelettrico possono essere utilizzati per raccogliere energia da luce, suono e calore contemporaneamente. Tale disposizione fornisce più opzioni energetiche al dispositivo aumentando la velocità di carica. In effetti, alcuni circuiti integrati per la raccolta di energia hanno ingressi dedicati per il collegamento a fonti di energia multiple.
Il dispositivo MAX17710 è un esempio di circuito integrato progettato pensando alla raccolta di energia. Questo IC integra due opzioni di alimentazione in ingresso per fonti di energia diverse (una fonte ad alta tensione e una fonte a bassa tensione), un regolatore boost e una macchina a stati interna per la connessione a un microcontroller. Inoltre, il MAX17710 è progettato per funzionare anche con batterie THINERGY MEC101 che sono batterie piatte a stato solido. Lo spessore estremamente limitato di queste batterie combinato con la loro natura a stato solido implica che sono compatte, intrinsecamente sicure e ideali per l'uso in dispositivi remoti sottili.
Il dispositivo SPV1040 di STMicroelectronics è un esempio di caricabatteria solare progettato specificamente per raccogliere energia in modo efficiente con l'uso di un inseguitore del punto di massima potenza o MPPT (Maximum Power Point Tracker). In sostanza, un MPPT consente di impostare il punto di carico di una cella solare in modo che sia ottimale per il massimo trasferimento di potenza e l'SPV1040 lo utilizza per ottenere fino al 95% di efficienza. Inoltre, il dispositivo SPV1040 è in grado di funzionare anche con solo 0,3 V (ovvero tensioni estremamente ridotte).
Il dispositivo AEM30940 di e-peas è un IC dedicato per la raccolta di energia che può avviarsi automaticamente da una tensione in entrata di 380 mV con una potenza di ingresso di 3 µW. Estraendo energia dalle RF vaganti, questo IC integra un MPPT per massimizzare il trasferimento di potenza dall'ingresso radio e dal convertitore di energia. È in grado di funzionare con tutte le opzioni di accumulo, comprese batterie, condensatori e supercondensatori, e può essere collegato a una batteria principale per un funzionamento a prova di errore. Inoltre, l'AEM30940 integra più regolatori LDO per produrre le varie tensioni d'uscita necessarie a molti microcontroller moderni (ad esempio, core da 1,8 V e I/O da 3,3 V).
Conclusione
Quando cercano di estrarre energia dall'ambiente circostante, i raccoglitori di energia devono affrontare svariate sfide: la disponibilità di energia, la necessità di componenti attivi per rilevare gli stati di carica, la dispersione di corrente da parte dei componenti e l'elevata efficienza richiesta dai convertitori di corrente. I limiti di base dei materiali semiconduttori impediscono il funzionamento a bassissima tensione e l'incostanza delle fonti di energia presenti in natura rende praticamente impossibile un funzionamento affidabile.
Tuttavia, sono stati fatti grandi passi avanti nella raccolta di energia ed esistono delle opzioni per i progettisti, come il dispositivo AEM30940 di e-peas e la soluzione MAX17710. Ma indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, la mossa migliore che un progettista possa fare è scegliere microcontroller con requisiti energetici estremamente ridotti o con modalità di sospensione profonda. In fin dei conti, non c'è bisogno di preoccuparsi di accumulare grandi quantità di energia se un progetto ne richiede poca.