Oricât de variate ar fi dispozitivele proiectate pentru IoT (Internet of Things) și IIoT (Industrial Internet of Things), toate necesită o sursă primară de alimentare pentru introducerea, procesarea și transmiterea datelor. Totuși, natura diversă a funcțiilor și a mediilor în care operează dispozitivele IoT a dus la o varietate mare de surse primare de alimentare (de la linii electrice de alimentare până la baterii și celule solare).
În plus, gama extinsă de funcții și moduri de operare, cum ar fi “always on” (mereu activ) pentru utilizare continuă și “standby” (în așteptare) pentru un răspuns rapid la stimulul de intrare, necesită o selecție atentă a surselor interne de alimentare. Obiectivul este de a maximiza randamentul, de a menține gabaritul cât mai mic și de a crește densitatea de putere pentru aplicație, fără compromiterea performanțelor sau utilizarea unui management termic suplimentar, cea din urmă putând crește dimensiunea, greutatea și costul. Un alt criteriu este siguranța și protecția utilizatorului, care nu poate fi compromisă.
Acest articol analizează diverse tipuri de surse de alimentare utilizate pe dispozitivele IoT și prezintă câteva exemple de la RECOM Power, care sunt create pentru a satisface aceste cerințe.
Surse de alimentare bazate pe linii de putere
Dispozitivele IoT sau IIoT cu linii de alimentare au mai puține restricții de putere decât dispozitivele portabile. Puterea energetică a liniei asigură, în general, tensiuni fixe de intrare cu niveluri de curent adecvate. Alte surse de energie, cum ar fi celulele solare, pot avea variații mari ale tensiunii și ale intensității curentului, în funcție de iluminarea lor și de gradul de stabilizare a tensiunii. Dispozitivele IoT sau IIoT trebuie să aibă cerințe flexibile la alimentare pentru a gestiona posibilele variații ale puterii de intrare.
Producătorul de surse de alimentare, RECOM Power, a proiectat o familie de surse de alimentare ultra-compacte, complet încapsulate, de 5 wați – modulele AC/DC din seria RAC05-K – pentru a satisface cerințele flexibile ale tensiunii de intrare ale aplicațiilor IoT sau IIoT.
Seria RAC05-K de module de alimentare funcționează cu o tensiune de intrare variabilă, de la 85 până la 264VAC (cu frecvența de la 47 până la 63 Hz) sau de la 120 până la 370VDC. Gama, aproape universală, a tensiunii de intrare le face potrivite pentru utilizare la nivel mondial, în mediul casnic sau industrial. Acest lucru este consolidat suplimentar și de gama de temperaturi de operare a respectivelor surse de alimentare: seria RAC05-K este evaluată pentru a dezvolta o putere maximă la temperaturi de la -25°C la + 50°C și o putere mai redusă în intervalul cuprins între + 50°C și + 70°C.
Figura 1: Modulul de alimentare RECOM RAC05-05SK oferă o putere de 5 wați într-o capsulă de 1” × 1” × 0.65” realizând o densitate de putere volumetrică de 7.7 wați per inch3. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Modelele individuale ale acestei serii au o tensiune de ieșire fixă de 3.3, 5, 12, 15 sau 24 de volți. RAC05-05SK de 5 volți are o amprentă de 1 inch2 (25.4 mm × 25.4 mm) și o înălțime de 0.65 inch (16.5 mm). Ținând cont de puterea de ieșire de 5 wați, acest modul de alimentare are o densitate de putere considerabilă de 7.7 wați per inch3 (Figura 1).
Aceste surse au un randament energetic mai mare de 80% și un consum în regim fără sarcină de numai 75 miliwați (mW). Această combinație le face potrivite pentru dispozitivele IoT/IIoT de tipul „always on” unde randamentul ridicat și pierderea redusă de energie internă ajută la menținerea dispozitivelor la o temperatură scăzută.
Din punct de vedere al protecțiilor oferite, seria RAC05-K include siguranță integrată, protecție la supratensiune și scurtcircuit. Seria este conformă cu standardele de siguranță IEC60950-1 și UL62368-1, respectând și limitele EMC Clasa B EN55032, fără componente externe.
Un interval mare al tensiunii de intrare, dimensiunile reduse, atenția acordată siguranței și protecției utilizatorului și o gamă largă de temperaturi de funcționare, se combină pentru a face aceste surse ideale pentru multe aplicații IoT sau IIoT cu alimentare de la rețeaua electrică.
Figura 2: Menținerea izolării într-o interfață de date necesită nu numai un izolator digital, ci și surse de putere izolate. Acest circuit folosește 3.3 volți pe partea primară a izolatorului și 5 volți pe secundar pentru a realiza o modificare a nivelului logic, menținând totodată o izolare galvanică. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Surse industriale robuste
Mediile industriale necesită adesea surse speciale de putere datorită condițiilor de mediu în care aceste dispozitive trebuie să funcționeze. O astfel de familie de dispozitive de alimentare este seria RECOM R1SX de convertoare DC/DC, care au un interval al temperaturii de operare de la -40° la + 100°C, fără pierdere de putere. Acest interval de temperatură va fi necesar pentru a rula în siguranță în majoritatea condițiilor industriale. Un exemplu de dispozitiv din această serie este R1SX-3.305-R, un convertor DC/DC ridicător de tensiune de 1 watt, care acceptă o intrare de 3.3 volți, dezvoltând o ieșire de 5 volți.
De asemenea, aceste convertoare sunt izolate DC la 1 kilovolt (kV)/secundă, cu o opțiune disponibilă de 3kV/secundă. Izolarea este importantă în mediul industrial, unde buclele de împământare și zgomotul electric sunt foarte frecvente. Având intrarea și ieșirea izolate, dispozitivul ajută la înlăturarea acestor bucle de împământare și la minimizarea propagării zgomotului. Convertorul DC/DC R1SX-3.3-5 poate fi folosit în alimentarea interfețelor izolate de date cu modificarea nivelului tensiunii logice (figura 2).
Figura 3: Un exemplu care ilustrează modul de așteptare (standby), prin închiderea ieșirii convertorului, pentru a prelungi durata de viață a bateriei într-o aplicație wireless. O celulă AA de 2100 miliamperi oră (mAh) poate furniza 7µA timp de câteva decenii. (Sursa imaginii: RECOM Power, modificat de Art Pini)
Surse de alimentare DC/DC pentru dispozitive portabile
Dispozitivele IoT sau IIoT portabile, alimentate de la baterii, necesită dimensiuni mici și pierderi mici de putere. Obiectivul este de a prelungi durata de viață a bateriei cât mai mult posibil pentru a reduce timpul de oprire neașteptat, precum și munca necesară pentru înlocuirea bateriilor într-un număr mare de dispozitive. Printre caracteristicile cheie ale unor astfel de dispozitive se numără abilitatea de a plasa sursele de putere într-o stare de repaus sau de așteptare, atunci când este nevoie, un randament energetic ridicat și o gamă largă a tensiunii de intrare pentru a compensa scăderea tensiunii bateriei atunci când se apropie de sfârșitul duratei de viață.
Un exemplu de convertoare DC/DC cu specificații care corespund cerințelor dispozitivelor IoT portabile este seria RECOM R-78S. În cadrul acestei familii, circuitul R-78S3.3-0.1 este proiectat pentru a produce 3.3 volți de la o baterie AA de 1.5 volți. De asemenea, seria include și dispozitive care au o tensiune de ieșire de 1.8, 3.3 și 3.6 volți, proiectate să alimenteze o mare varietate de microprocesoare și controlere de la baterii cu o singură celulă. Toate dispozitivele operează într-un interval al tensiunii de intrare de la 3.15 volți până la 0.65 volți, ceea ce permite utilizarea până la ultimul mW de putere din baterie. Acest convertor de putere are un randament tipic ridicat, de 93%, reducând la minimum pierderile de energie. Poate fi utilizat în modul de așteptare (standby), unde consumă doar 7 microamperi (µA). Combinând randamentul energetic ridicat, modul de așteptare și o gamă vastă a tensiunii de intrare, acest convertor de putere este ideal pentru dispozitivele IoT wireless portabile (figura 3).
Seria R-78S dispune, de asemenea, de o gamă extinsă a temperaturii de operare, de la -40° la 100°C, utilă pentru un dispozitiv portabil, care poate fi lăsat într-un vehicul în condiții meteorologice extreme.
Figura 4: Diagrama prezintă utilizarea R-78S3.6-0.1 drept convertor ridicător de tensiune, preluând o intrare de joasă tensiune dintr-o celulă solară sau TEG pe care o ridică la 3.6 volți pentru a încărca o celulă reîncărcabilă de 3.3 volți printr-o diodă. Încărcarea poate începe cu tensiuni de intrare de până la 0.65 volți. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Exemplul din figura 3 prezintă utilizarea modului de așteptare (“standby”) sau repaos („sleep”), timp în care sistemul consumă doar 20 de microwați (µW). Când se află în acest mod, tensiunea condensatorului scade în timp, așa cum arată traseul albastru, de la valoarea sa complet încărcată de 3.3 volți până când atinge un prag stabilit de rezistențele R1 și R2, moment în care microprocesorul trimite convertorului un semnal de activare. Sistemul consumă doar 200 µA atunci când convertorul operează în regim activ, timp în care condensatorul este reîncărcat pentru următorul ciclu. Consumul de putere va fi proporțional cu factorul de umplere pentru modul activ/repaus.
Capabilitatea convertoarelor RECOM R-78S de a utiliza tensiuni de intrare reduse este o caracteristică importantă pentru aplicațiile IoT sau IIoT de recuperare a energiei. De exemplu, convertoarele pot fi utilizate pentru a ridica ieșirea unei surse de joasă tensiune, cum ar fi celule solare sau generatoarele termoelectrice (TEG – thermo-electric generator), pentru a încărca o celulă reîncărcabilă de 3.3 volți (figura 4).
Tensiunea de ieșire mai mare (3.6 volți față de 3.3 volți) este necesară pentru a încărca celula prin diodă. Dioda împiedică bateria complet încărcată să comande ieșirea convertorului. Aceste convertoare sunt, de asemenea, protejate la scurtcircuit și la supraîncălzire pentru a menține o funcționare sigură.
Proiecte de referință și plăci de evaluare care utilizează R-78S3.3-0.1
Figura 5: Proiectul de referință pentru seria RECOM R-78S de convertoare DC/DC prezintă dimensiunile mici ale dispozitivului în comparație cu o baterie standard cu celule AA. Acest proiect de referință al circuitului poate fi încorporat în prototipuri. (Sursa imaginii: RECOM Power, modificat de Art Pini)
Proiectele de referință sunt utile pentru a determina dacă o componentă satisface nevoile de proiectare. În cazul convertoarelor DC/DC din seria R-78S, acestea oferă un instrument la îndemână pentru evaluarea dispozitivului (figura 5).
Proiectul de referință RECOM R-REF02-78S este disponibil sub forma unei plăci de circuit imprimat populată cu conectori simpli de 0.100 inch și găuri de montare pentru încorporarea ușoară în prototipurile de evaluare. Pe placă este prezent un pin de activare pentru convertor în vederea evaluării modului “sleep” al convertorului.
Figura 6: Schema plăcii de evaluare RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1 prezintă o selecție extinsă a punctelor de test disponibile, precum și existența unui port USB, în cazul în care se dorește comunicația cu dispozitivul. (Sursa imaginii: RECOM Power)
Pentru testarea mai riguroasă a dispozitivului, RECOM oferă, de asemenea, o placă de evaluare, R-78S3.3-0.1-EVM-1, care are mai multe noduri de testare conectate la pinii de pe placă, spre deosebire de proiectul de referință (Figura 6).
Placa de evaluare include toate elementele proiectului de referință și crește accesul la conexiunile de intrare și ieșire ale convertorului. Jumperii și pinii suplimentari sunt destinați să permită efectuarea de diverse măsurători și determinarea parametrilor dispozitivului. Un port USB este inclus pentru a permite alimentarea circuitelor off-board de demonstrație.
Concluzie
Alimentarea pentru aplicațiile IoT și IIoT poate fi realizată într-o varietate de moduri, precum alimentarea de la rețea, de la baterii sau prin dispozitive de recuperare a energiei. Aplicația va determina într-o anumită măsură cerințele sursei de putere. Proiectanții au nevoie de dispozitive de alimentare versatile pentru a se asigura că proiectele pot face față gamei largi de scenarii operaționale. Datorită intervalului extins al tensiunii de intrare, randamentului energetic ridicat, dimensiunilor mici și a modurilor de economisire a energiei, dispozitivele de conversie a energiei de la RECOM, prezentate mai sus, reprezintă candidați ideali în alegerea unei surse de alimentare pentru produsele IoT și IIoT.
Autor: Rich Miron – Inginer de aplicații
Rich Miron, Inginer de aplicații la Digi-Key Electronics, face parte din grupul de autori care crează articole tehnice (Technical Content Group) din 2007, având responsabilitatea principală de a scrie și edita articole, bloguri și module de instruire pentru cunoașterea produselor.
Înainte de Digi-Key, el a testat și calificat sisteme de control și instrumentare pentru submarine nucleare. Rich deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Stat din North Dakota din Fargo, ND.
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
