Fazendo a coleta de energia funcionar para dispositivos IoT de ponta

As implantações de IoT continuam a progredir à medida que as organizações buscam a transformação digital e que o estilo de vida inteligente - em todas as suas formas - é a chave para melhorar a qualidade de vida e a sustentabilidade.

Os endpoints de IoT tendem a ser sensores ou, com menos frequência, atuadores que são conectados sem fio a um dispositivo de agregação ou gateway de Internet. Eles são frequentemente implantados em grande número e, em um cenário como cidade inteligente, fábrica inteligente ou agricultura inteligente, dispersos em uma grande área geográfica. O custo de realizar a manutenção de campo, como a substituição de baterias primárias descarregadas, geralmente é proibitivo. Além disso, as baterias descartadas representam um fardo ambiental cada vez mais inaceitável.

Ao projetar terminais, os engenheiros podem evitar a necessidade de substituição da bateria, organizando o fornecimento de energia suficiente para durar a vida útil esperada do dispositivo. Isso pode levar vários anos. Um fator de forma de célula tipo moeda é geralmente desejável devido às restrições de tamanho. Se a energia armazenada ficar aquém dos requisitos do sistema, caber uma célula maior pode ser uma opção.

Uma alternativa é redesenhar o circuito para reduzir a demanda geral de energia do sistema abaixo do armazenamento de célula disponível. Qualquer uma das abordagens, ou uma combinação de ambas, pode falhar em atingir a meta.

A coleta de microenergia, na ordem de microwatts ou miliwatts, pode fornecer um suprimento útil e potencialmente inesgotável de energia elétrica, capturada do ambiente ambiente. Isso pode complementar ou substituir uma célula primária, dependendo da aplicação e da energia ambiente disponível. Pode ser possível que a energia colhida e convertida forneça energia aos circuitos diretamente. Por outro lado, armazenar a energia em um buffer até que seja necessária pode ser uma abordagem mais adequada.

Em qualquer caso, é necessária uma fonte de energia ambiente adequada, capaz de atender às necessidades da aplicação. Entre os vários subsistemas do terminal IoT, o rádio coloca a demanda de energia mais significativa. Pode ser instrutivo analisar os requisitos aqui, para informar o projeto e a integração do sistema de captação de energia.

Consumo de energia do subsistema de rádio

É fundamental escolher a tecnologia sem fio mais adequada para fornecer a taxa de dados e o alcance de comunicação necessários com o menor consumo de energia possível.

Se o sensor deve ser posicionado a uma curta distância de um agregador ou gateway, como um hub ou roteador conectado à Internet ou por meio de uma central de telecomunicações local, uma tecnologia como Bluetooth, Zigbee ou Wi-Fi pode ser adequada, dependendo na taxa de dados necessária e também nas restrições de custo. Em outros casos, como quando os terminais são distribuídos em uma área geograficamente grande, pode ser necessária uma conexão LPWAN ou celular. A Figura 1 compara o consumo de energia, taxa de dados, alcance máximo típico e custos relativos das principais tecnologias usadas em aplicativos IoT.

O intervalo, a taxa de dados e o consumo de energia também podem ser expressos numericamente para auxiliar na comparação direta. Como mostra a figura 2, um subsistema sem fio pode consumir de 150 µW a 400mW.

Para compreender totalmente os efeitos na demanda geral de energia do sistema, também é necessário considerar o ciclo de trabalho. Aplicativos como medidores de utilitários inteligentes envolvem o envio de pequenos pacotes de dados algumas vezes por dia ou em intervalos de alguns dias. Outros, como câmeras de segurança, podem precisar enviar grandes quantidades de dados com freqüência ou continuamente. Dependendo da aplicação, o ciclo de trabalho pode ser reduzido filtrando os dados localmente dentro do sistema antes de transmitir; uma câmera pode ser equipada com um sensor de movimento para iniciar a gravação somente quando a atividade for detectada, ou o processamento de imagem embutido pode descartar dados desinteressantes. Obviamente, a energia necessária para filtrar os dados deve ser comparada com a energia economizada pela redução do ciclo de trabalho, para garantir um benefício líquido.

Fontes de energia ambiental

Tendo adquirido uma compreensão da energia e potência exigidas pelo subsistema sem fio, é possível avaliar fontes ambientais adequadas e tecnologias de coleta de microenergia.

As principais tecnologias de micro coleta de energia adequadas para alimentar esses sistemas são matrizes de células solares, conversores piezoelétricos ou eletrostáticos ativados por vibrações e dispositivos Peltier que convertem um gradiente de temperatura em uma força eletromotriz (EMF). As fontes de energia de RF capturadas por meio de patch ou antenas em espiral tendem a ser inadequadas para todas as aplicações de IoT, exceto as mais econômicas. A Figura 3 compara as densidades de energia típicas associadas a essas tecnologias. Usando essas informações, é possível selecionar uma tecnologia e começar a desenvolver uma especificação avaliando os tamanhos e o desempenho dos componentes disponíveis.

Células solares com uma área de 35-40 cm ² pode gerar cerca de 0,5 Watts, assumindo uma eficiência de cerca de 20%. Eles estão disponíveis por menos de 1 USD cada em volume, enquanto as colheitadeiras piezoelétricas são tipicamente pelo menos uma ordem de magnitude mais caras e produzem menos energia. As células solares são conhecidas por serem menos eficientes quando usadas em ambientes internos. No entanto, alguns colhedores solares internos foram introduzidos recentemente e afirmam fornecer produção suficiente para rádios de baixa potência.

Reunindo tudo

Aproveitando avanços como esses, a coleta de microenergia pode ser considerada uma solução para reduzir ou eliminar baterias em terminais de IoT. Como as próprias fontes de energia costumam ser irregulares e não necessariamente disponíveis quando o dispositivo IoT precisa transmitir ou receber dados, geralmente é necessário um buffer de energia ou dispositivo de armazenamento. Pode ser uma bateria recarregável ou capacitor (ou supercapacitor). Um IC de gerenciamento de energia de coleta de energia (EH PMIC) é necessário para lidar com a energia do subsistema de coleta, gerenciar a carga fornecida ao buffer de energia e alimentar a carga quando necessário, conforme mostrado na figura 4. As várias tecnologias de coleta de energia têm diferentes características elétricas. As colheitadeiras termoelétricas produzem corrente contínua em baixa tensão e, portanto, baixa impedância. Embora as células solares também produzam uma baixa voltagem CC, a corrente e, portanto, a impedância, varia com o nível de luz.

Os EH PMICS típicos do mercado hoje têm uma arquitetura fixa e faixa de tensão de entrada projetada para operar com um tipo específico de harvester. Isso impede o uso de uma colheitadeira alternativa para capturar energia ambiente adicional se uma fonte sozinha não puder satisfazer os requisitos do sistema. Se várias fontes de energia são necessárias, portanto, um EH PMIC dedicado é necessário para cada uma. Isso aumenta o custo, o tamanho e o consumo de energia do sistema e também pode complicar o design.

Alguns EH PMICs podem ser modificados usando circuitos externos para condicionar a saída do coletor de energia. No entanto, para simplificar o projeto do sistema, os EH PMICs da Trameto, chamados OptiJoule, fornecem entradas que se adaptam de forma autônoma a vários tipos de colheitadeiras conectadas e maximizam a potência entregue ao buffer, sem a necessidade de circuitos externos. As versões estão disponíveis para entradas individuais ou com até quatro entradas. As versões com várias entradas apresentam a flexibilidade de conectar tipos semelhantes ou diferentes de colheitadeiras. Assim, com os dispositivos OptiJoule, é possível dimensionar a capacidade de coleta de microenergia, usar um único PMIC para várias aplicações e até mesmo atrasar a seleção da tecnologia de coleta de energia para mais tarde no desenvolvimento de um produto, se necessário.

Conclusão

Por meio de desenvolvimentos em protocolos de rádio otimizados, design de microprocessador de baixa energia, sensores de baixa potência e o aumento da eficiência da coleta de microenergia, a energia ambiente tornou-se uma fonte viável para ajudar a reduzir ou eliminar a dependência de baterias e estender a vida útil de terminais IoT em o campo. Os desenvolvimentos mais recentes em EH PMICs permitem flexibilidade extra para gerenciar tamanho, custo e complexidade ao integrar tecnologias selecionadas de coleta de microenergia.