Introducere
Odată cu utilizarea tot mai mare a dispozitivelor IoT în echipamente industriale, automatizări casnice și aplicații medicale, există o presiune din ce în ce mai mare pentru a optimiza partea de management a alimentării acestor dispozitive – fie printr-un factor de formă mai mic, o mai bună eficiență, un consum de curent îmbunătățit sau timpi de încărcare mai rapizi (pentru dispozitivele IoT portabile). Toate acestea trebuie realizate într-un factor de formă mic, care să nu aibă un impact termic negativ și să nu interfereze cu comunicațiile wireless implementate de aceste dispozitive.
Ce este IoT?
Acest domeniu special de aplicații IoT se prezintă sub diverse variante. În general, se referă la un dispozitiv electronic inteligent, conectat într-o rețea, care este, probabil, alimentat de la baterie și care trimite date precalculate către infrastructura bazată pe cloud. Acesta utilizează un amestec de sisteme embedded, cum ar fi procesoare, circuite integrate de comunicație și senzori, pentru a colecta, răspunde și trimite datele înapoi către un punct central sau un alt nod din rețea. Poate fi vorba de orice, de la un simplu senzor de temperatură care raportează temperatura camerei către o zonă centrală de monitorizare, până la un dispozitiv de monitorizare a stării de sănătate a mașinilor care urmărește starea de bună funcționare pe termen lung a unui echipament foarte scump din fabrică.
În ultimă instanță, aceste dispozitive sunt dezvoltate pentru a rezolva o anumită provocare, fie că este vorba de automatizarea unor sarcini care ar necesita în mod normal intervenția umană, cum ar fi automatizarea locuințelor sau a clădirilor, fie că este vorba de îmbunătățirea capacității de utilizare și a longevității echipamentelor în cazul aplicațiilor IoT industriale, sau chiar de îmbunătățirea siguranței, dacă luăm în considerare aplicațiile de monitorizare a stării echipamentelor implementate în aplicații bazate pe structuri, cum ar fi podurile.
Exemple de aplicații
Domeniile de aplicații pentru dispozitivele IoT sunt aproape infinite, în fiecare zi fiind gândite noi dispozitive și cazuri de utilizare. Aplicațiile bazate pe emițătoare inteligente colectează date despre mediul în care se află pentru a lua decizii privind controlul căldurii, declanșarea alarmelor sau automatizarea anumitor sarcini. În plus, instrumentele portabile, cum ar fi contoarele de gaz și sistemele de măsurare a calității aerului, oferă o măsurătoare precisă către un centru de control, prin intermediul cloud-ului. Sistemele de urmărire prin GPS reprezintă o altă aplicație. Acestea permit urmărirea containerelor de transport maritim, precum și a animalelor, de exemplu a vacilor, prin intermediul unor etichete auriculare inteligente. Acestea reprezintă doar o mică parte a dispozitivelor conectate în cloud. Alte domenii includ aplicațiile purtabile de asistență medicală și de detectare a infrastructurii.
O zonă cu o creștere semnificativă este reprezentată de aplicațiile industriale IoT, care fac parte din cea de-a patra revoluție industrială, în care fabricile inteligente ocupă un loc central. Există o gamă largă de aplicații IoT care, în cele din urmă, încearcă să automatizeze cât mai mult posibil din fabrică, fie că este vorba de utilizarea vehiculelor cu ghidare automată (AGV), de senzori inteligenți, cum ar fi etichetele RF sau aparatele de măsurare a presiunii, sau de alți senzori de mediu poziționați în jurul fabricii.
Din perspectiva ADI, la nivel înalt, IoT s-a concentrat pe cinci domenii principale:
- Aplicații inteligente de monitorizare a semnelor vitale care sprijină sănătatea, atât la nivel clinic, cât și la nivelul consumatorului.
- Fabrici inteligente – se concentrează pe construirea industriei 4.0 prin transformarea fabricilor în structuri mai receptive, mai flexibile și mai ușoare.
- Clădiri inteligente/orașe inteligente-utilizarea detecției inteligente pentru securitatea clădirilor, detectarea ocupării locurilor de parcare, precum și pentru controlul termic și electric.
- Agricultură inteligentă – utilizarea tehnologiei disponibile pentru a permite o agricultură automatizată și utilizarea eficientă a resurselor.
- Infrastructură inteligentă – utilizând tehnologia noastră de monitorizare bazată pe condițiile de funcționare pentru a monitoriza deplasarea și sănătatea structurală.
- Mai multe informații despre aceste domenii de interes și despre tehnologiile disponibile pentru a le susține pot fi găsite la analog.com/IoT. (https://www.analog.com/en/applications/technology/internet-of-things.html)
Provocări legate de proiectarea IoT
Care sunt principalele provocări cu care se confruntă un proiectant în spațiul de aplicații IoT în continuă creștere? Majoritatea acestor dispozitive, sau noduri, sunt instalate ulterior sau în zone greu accesibile, astfel încât alimentarea cu energie electrică a acestora nu este o posibilitate. Acest lucru înseamnă, bineînțeles, că ele depind în totalitate de baterii și/sau de recoltarea de energie ca sursă de alimentare.
Deplasarea energiei electrice în instalații mari poate fi destul de costisitoare. De exemplu, luați în considerare alimentarea unui nod IoT la distanță într-o fabrică. Ideea de a instala un nou cablu de alimentare pentru a alimenta cu energie acest dispozitiv este costisitoare, dar și consumatoare de timp, ceea ce, în esență, lasă ca opțiuni rămase pentru alimentarea acestor noduri de la distanță alimentarea cu baterii sau recoltarea energiei.
Dependența de energia bateriei introduce necesitatea de a respecta un buget de putere strict pentru a garanta că durata de viață a bateriei este maximizată, ceea ce are, desigur, un impact asupra costului total de proprietate al dispozitivului. Un alt dezavantaj al utilizării bateriei este necesitatea de a o înlocui după expirarea duratei sale de viață. Acest lucru include nu numai costul bateriei în sine, ci și costul ridicat al forței de muncă pentru înlocuirea și, eventual, eliminarea bateriei vechi.
Un considerent suplimentar cu privire la costul și dimensiunea bateriei – este foarte ușor ca bateria să fie supraproiectată pentru asigurarea unei capacități suficiente care să permită atingerea duratei de viață necesare, aceasta fiind deseori mai mare de 10 ani. Totuși, supraproiectarea duce la costuri și dimensiuni suplimentare, astfel încât este extrem de important nu numai să optimizați bugetul de putere, ci și să reduceți la minimum consumul de energie, acolo unde este posibil, pentru a instala cea mai mică baterie posibilă care să îndeplinească în continuare cerințele de proiectare.
Alimentarea în IoT
În scopul acestei discuții despre energie, sursele de alimentare pentru aplicațiile IoT pot fi privite sub forma a trei scenarii:
- Dispozitive care se bazează pe alimentarea cu baterii nereîncărcabile (baterie primară)
- Dispozitive care au nevoie de baterii reîncărcabile
- Dispozitive care utilizează recoltarea de energie pentru a o furniza sistemului
Aceste surse pot fi utilizate individual sau, alternativ, combinate dacă aplicația o cere.
Aplicații cu baterii primare
Cunoașteți cu toții diferitele aplicații cu baterii primare, care sunt cunoscute și sub denumirea de aplicații cu baterii nereîncărcabile. Acestea sunt orientate către aplicații în care se utilizează doar energie ocazională – adică dispozitivul este alimentat ocazional înainte de a intra din nou într-un mod de veghe profundă în care consumă o cantitate minimă de energie. Principalul avantaj al utilizării acestui tip de sursă de alimentare este că oferă o densitate energetică ridicată și un design mai simplu – deoarece nu este nevoie să găzduiți circuite de încărcare/gestionare a bateriei – precum și un cost mai mic, deoarece bateriile sunt mai ieftine și sunt necesare mai puține componente electronice. Acestea se potrivesc bine în aplicațiile cu costuri reduse și consum redus de putere, dar, deoarece aceste baterii au o durată de viață limitată, nu sunt potrivite pentru aplicațiile în care consumul de energie este puțin mai mare, astfel încât acest lucru generează un cost atât pentru înlocuirea unei baterii, cât și costul tehnicianului de service necesar pentru înlocuirea bateriilor.
Luați în considerare o instalație IoT mare, cu multe noduri. În timp ce aveți un tehnician la fața locului pentru a înlocui bateria unui dispozitiv, foarte adesea toate bateriile vor sfârși prin a fi înlocuite deodată pentru a economisi costul forței de muncă. Desigur, acest lucru înseamnă o risipă și nu face decât să se adauge la problema globală a deșeurilor. În plus, bateriile nereîncărcabile livrează doar aproximativ 2% din energia folosită la fabricarea lor. Restul de ~98% de putere irosită face din ele o sursă de energie foarte neeconomică.
Evident, acestea au un loc în aplicațiile bazate pe IoT. Costul lor inițial relativ scăzut le face ideale pentru aplicațiile cu consum redus de putere. Sunt disponibile o mulțime de tipuri și dimensiuni diferite și, deoarece nu au nevoie de prea multe componente electronice suplimentare pentru încărcare sau management, acestea reprezintă o soluție simplă.
Din punct de vedere al proiectării, provocarea cheie constă în utilizarea la maximum a energiei disponibile de la aceste mici surse de alimentare. În acest scop, este necesar să se petreacă mult timp pentru a crea un plan de buget de energie pentru a asigura maximizarea duratei de viață a bateriei, 10 ani fiind un obiectiv comun de durată de viață.
Pentru aplicațiile cu baterii primare, merită luate în considerare două componente din familia noastră de produse nanopower – circuitele LTC3337 (Coulomb contor) și LTC3336 (buck regulator), prezentate în figura 1.
Figura 1. Aplicație bazată pe circuitele LTC3337 și LTC3336. (© ADI)
LTC3336 este un convertor DC-DC de joasă putere care operează fiind alimentat de la o intrare de până la 15 V cu un nivel de curent de ieșire de vârf programabil. Intrarea poate coborî până la 2,5 V, ceea ce îl face ideal pentru aplicațiile alimentate cu baterii.
Curentul de liniște este extrem de scăzut, de 65 nA. În ceea ce privește convertoarele DC-DC, acesta este destul de ușor de configurat și de utilizat într-un proiect nou. Tensiunea de ieșire este programată în funcție de modul în care sunt legați pinii OUT0 – OUT3.
Figura 2. Curentul de încărcare în funcție de tensiunea bateriei. (© ADI)
Dispozitivul companion al LTC3336 este LTC3337, un circuit de monitorizare a stării de sănătate a bateriei primare și un contor de coulombi. Acesta este un alt dispozitiv ușor de utilizat într-un nou proiect – pur și simplu legați pinii IPK în funcție de curentul de vârf necesar, care se situează în intervalul 5 mA … 100 mA. Efectuați câteva calcule pe baza bateriei selectate, apoi completați valoarea recomandată a condensatorului de ieșire pe baza curentului de vârf selectat, care este notat în fișa tehnică.
Concluzionând, aceasta este o pereche excelentă de dispozitive pentru aplicațiile IoT cu un buget de energie limitat. Aceste componente pot să monitorizeze cu acuratețe atât consumul de energie de la bateria primară, cât și să convertească eficient ieșirea la o tensiune de sistem utilizabilă.
Aplicații cu baterii reîncărcabile
Figura 3. Tensiunea/curentul de încărcare în funcție de timp. (© ADI)
Să trecem la aplicațiile cu baterii reîncărcabile. Acestea reprezintă o alegere bună pentru aplicațiile IoT cu putere mai mare sau cu consum mai mare, în care frecvența de înlocuire a bateriei primare nu este o opțiune. O aplicație cu baterii reîncărcabile este o implementare mai scumpă din cauza costului inițial al bateriilor și al circuitelor de încărcare, dar în aplicațiile cu consum mai mare, în care bateriile sunt golite și încărcate frecvent, costul este justificat și se amortizează în timp scurt.
În funcție de chimia utilizată, o aplicație cu baterii reîncărcabile poate avea o energie inițială mai mică decât o celulă primară, dar pe termen lung este opțiunea mai eficientă și, în general, este mai puțin costisitoare. În funcție de nevoile de energie, o altă opțiune este stocarea cu ajutorul condensatoarelor sau al supercondensatoarelor, dar acestea sunt mai degrabă destinate stocării de rezervă pe termen scurt.
Încărcarea bateriilor implică diverse moduri și profiluri specializate, în funcție de chimia utilizată. De exemplu, un profil de încărcare a unei baterii litiu-ion este prezentat în figura 2. În partea de jos se află tensiunea bateriei, iar curentul de încărcare este pe axa verticală.
Atunci când bateria este foarte descărcată, ca în partea stângă a figurii 2, încărcătorul trebuie să fie suficient de inteligent pentru a o pune în modul de preîncărcare pentru a crește încet tensiunea bateriei până la un nivel sigur, înainte de a intra în modul de curent constant.
În modul de curent constant, încărcătorul injectează curentul programat în baterie până când tensiunea bateriei crește până la tensiunea de plutire programată.
Atât curentul cât și tensiunea programată sunt definite de tipul bateriei utilizate – curentul de încărcare este limitat de rata C și de timpul de încărcare necesar, iar tensiunea de plutire se bazează pe ceea ce este sigur pentru baterie. Proiectanții de sisteme pot reduce puțin tensiunea de plutire pentru a contribui la durata de viață a bateriei, dacă este necesar pentru sistem – deci, așa cum se întâmplă în cazul energiei electrice, este vorba de compromisuri.
Figura 4. LTC4162, un încărcător de baterii de 3,2 A. (© ADI)
Atunci când tensiunea de plutire este atinsă, se poate vedea cum curentul de încărcare scade la zero, iar această tensiune este menținută pentru un timp în funcție de algoritmul de terminare a încărcării.
Figura 3 oferă un grafic diferit pentru o aplicație cu 3 celule care arată comportamentul în timp. Tensiunea bateriei este afișată cu roșu, iar curentul de încărcare este cu albastru. Acesta pornește în modul de curent constant, atingând o valoare maximă de 2 A până când tensiunea bateriei atinge pragul de tensiune constantă de 12,6 V. Încărcătorul menține această tensiune pentru perioada de timp definită de temporizatorul de terminare a încărcării – în acest caz, o fereastră de 4 ore. Acest timp este programabil pe multe părți ale încărcătorului.
Pentru mai multe informații despre încărcarea bateriilor, precum și despre câteva produse interesante, vă recomand articolul “Simple Battery Charger ICs for Any Chemistry.” (https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-battery-charger-ics-for-any-chemistry.html)
Figura 4 prezintă un exemplu interesant de încărcător “buck” de baterii versatil, LTC4162, care poate furniza un curent de încărcare de până la 3,2 A și este potrivit pentru o gamă de aplicații, inclusiv instrumente portabile și aplicații care necesită baterii mai mari sau baterii multicelulă. De asemenea, poate fi utilizat pentru a încărca de la surse solare.
Aplicații de recoltare a energiei
Atunci când se lucrează cu aplicații IoT și sursele lor de alimentare, o altă opțiune de luat în considerare este recoltarea energiei. Desigur, există mai multe considerente pentru proiectantul de sistem, dar atracția energiei gratuite nu poate fi subestimată, în special pentru aplicațiile în care cerințele de putere nu sunt prea critice și în care instalarea trebuie să fie “hands off” – adică niciun tehnician de service nu poate ajunge la ea.
Figura 5. Surse de energie și niveluri aproximative disponibile pentru aplicații diverse. (© ADI)
Există numeroase și diverse surse de energie din care se poate alege și nu este nevoie să fie o aplicație în aer liber pentru a profita de ele. Pot fi captate atât energia solară, cât și energia piezoelectrică sau vibrațională, energia termoelectrică și chiar energia RF (deși aceasta are un nivel de putere foarte scăzut). Figura 5 oferă un nivel estimativ de energie atunci când se utilizează diferite metode de recoltare. (© ADI)
În ceea ce privește dezavantajele, costul inițial este mai ridicat în comparație cu celelalte surse de energie discutate anterior, deoarece aveți nevoie de un element de recoltare, cum ar fi un panou solar, un receptor piezoelectric sau un element Peltier, precum și de un circuit integrat de conversie a energiei și de componentele de activare asociate.
Un alt dezavantaj este dimensiunea generală a soluției, în special în comparație cu o sursă de energie precum o celulă de tip monedă. Este dificil să se obțină o soluție de dimensiuni reduse cu un colector de energie și un circuit integrat de conversie.
Figura 6. Diagrama bloc a dispozitivului ADP5090 într-o aplicație de recoltare de energie. (© ADI)
Din punct de vedere al eficienței, aceasta poate fi o soluție dificilă pentru a gestiona nivelurile scăzute de energie. Se întâmplă acest lucru deoarece multe dintre sursele de energie sunt de curent alternativ, deci au nevoie de rectificare. Diodele sunt utilizate pentru a face acest lucru. Proiectantul trebuie să se ocupe de pierderea de energie rezultată din proprietățile lor inerente. Impactul acesteia este diminuat pe măsură ce creșteți tensiunea de intrare, dar acest lucru nu reprezintă întotdeauna o posibilitate.
Dispozitivele care apar în cele mai multe discuții despre recoltarea energiei fac parte din familia de produse ADP509x și LTC3108, acestea putând acomoda o gamă largă de surse de recoltare a energiei cu multiple căi de alimentare și opțiuni programabile de încărcare și pot oferi cea mai mare flexibilitate de proiectare. O mulțime de surse de energie pot fi utilizate pentru a alimenta ADP509x, dar și pentru a extrage energie din acea sursă de energie pentru a încărca o baterie sau pentru a alimenta o sarcină de sistem. Pentru a alimenta nodul IoT se poate utiliza orice, de la energie solară (atât în interior, cât și în exterior) până la generatoare termoelectrice pentru a extrage energie termică din căldura corpului în aplicațiile purtabile sau din căldura motorului. O altă opțiune este recoltarea energiei de la o sursă piezoelectrică, care adaugă un alt nivel de flexibilitate – aceasta este o opțiune bună pentru a extrage energie de la un motor operațional, de exemplu.
Un alt dispozitiv ce poate fi alimentat de la o sursă piezoelectrică este ADP5304, care funcționează cu un curent de repaus foarte mic (260 nA tipic fără sarcină), ceea ce îl face ideal pentru aplicații de recoltare a energiei de putere redusă. Fișa de date prezintă un circuit tipic de aplicație de recoltare a energiei (vezi figura 7), alimentat de la o sursă piezoelectrică și utilizat pentru a furniza energie unui ADC sau unui circuit integrat RF.
Managementul energiei
Figura 7. Circuitul aplicației pentru sursa piezoelectrică ADP5304. (© ADI)
Un alt domeniu care ar trebui să facă parte din orice discuție referitoare la aplicațiile cu un buget de putere limitat este managementul energiei. Se începe prin calcularea bugetului de putere al aplicației înainte de a analiza diferite soluții de gestionare a energiei. Este un pas esențial care îi ajută pe proiectanții de sisteme să înțeleagă componentele cheie utilizate în sistem și cât de multă energie necesită acestea. Astfel, decizia de a selecta o baterie primară, o baterie reîncărcabilă, o recoltare de energie sau o combinație a acestora ca metodă de alimentare cu energie are un impact asupra deciziei lor.
Frecvența cu care dispozitivul IoT culege un semnal și îl trimite înapoi la sistemul central sau la cloud este un alt detaliu important atunci când se analizează managementul puterii, care are un impact mare asupra consumului general de energie. O tehnică obișnuită constă în ciclul de utilizare a energiei sau în prelungirea intervalului de timp dintre trezirea dispozitivului pentru a colecta și/sau trimite date.
Folosirea modurilor de așteptare pe fiecare dintre dispozitivele electronice (dacă sunt disponibile) este, de asemenea, o metodă utilă atunci când se încearcă gestionarea consumului de putere al sistemului.
Concluzie
La fel ca în toate aplicațiile electronice, este important să se ia în considerare partea de management a puterii din circuit cât mai devreme posibil. Acest lucru este și mai important în cazul aplicațiilor cu restricții de putere, cum ar fi IoT. Elaborarea unui buget de putere la începutul procesului poate ajuta proiectantul de sistem să identifice calea cea mai eficientă și dispozitivele potrivite care să răspundă provocărilor ridicate de aceste aplicații, obținând în același timp o eficiență energetică ridicată într-o soluție de dimensiuni reduse.
Referințe
Dostal, Frederik. “New Advances in Energy Harvesting Power Conversion.” Analog Dialogue, Vol. 49, No. 3, September 2015.
Knoth, Steve. “Simple Battery Charger ICs for Any Chemistry.” Analog Dialogue, Vol. 53, No. 1, January 2019.
Murphy, Grainne. “Internet of Things (IoT): What’s Next.” Analog Devices, Inc., January 2018.
Pantely, Zachary. “One-Size-Fits-All Battery Charger.” Analog Devices, Inc., September 2018.
Autor:
Diarmuid Carey,
Central Applications Engineer
Diarmuid Carey este inginer de aplicații în cadrul Centrului european de aplicații centralizate cu sediul în Limerick, Irlanda. El lucrează ca inginer de aplicații din 2008 și s-a alăturat Analog Devices în 2017, oferind asistență de proiectare pentru portofoliul Power by Linear pentru clienții europeni. Este licențiat în inginerie de calculatoare la Universitatea din Limerick. Poate fi contactat la diarmuid.carey@analog.com.