Cómo utilizar la recolección de energía en entornos de control industrial de alta confiabilidad

Este artículo analiza los desafíos de diseño relacionados con el uso de las fuentes de recolección de energía para alimentar los nodos en la automatización industrial, en la que la alta confiabilidad es la clave. Analiza cómo combinar fuentes de energía como temperatura y vibración con sistemas de baterías y enlaces inalámbricos para garantizar que los nodos de sensor se puedan colocar exactamente en la posición correcta y con la más alta confiabilidad posible.

Las tecnologías de recolección de energía se pueden utilizar para mejorar la fiabilidad y la disponibilidad de los sistemas industriales. Si se pueden localizar los nodos del sensor en el lugar que se necesitan, independientemente de la potencia o la comunicación, los enlaces pueden ofrecer datos de mayor calidad. Esto, a su vez, puede ofrecer información sobre tendencias para las técnicas que identifican los problemas antes de que sucedan y permiten realizar un mantenimiento preventivo o bien colocar un equipo alternativo antes de que se produzcan fallas.

Estas tecnologías de recolección de energía superan los desafíos de los simples nodos de sensor con respaldo de batería. Con miles de nodos en una planta de fabricación, mantener y cambiar baterías puede ser una tarea costosa y que consume mucho tiempo. Sin embargo, la recolección de energía es vista como una fuente poco confiable que puede variar notablemente y, por lo tanto, con frecuencia no se la considera para dichas aplicaciones. Combinar una fuente de recolección de energía como la vibración, el calor y la alimentación solar con una batería recargable ofrece lo mejor de los dos mundos. Los nodos de sensor independientes se pueden colocar fácilmente en lugares de difícil acceso, y los sistemas de la batería recargable pueden durar miles de ciclos, lo que notablemente extiende la vida útil de los nodos.

Sin embargo, esta combinación requiere una nueva clase de dispositivo de administración de alimentación que pueda ofrecer alimentación confiable desde una fuente irregular y de baja corriente. Estos dispositivos utilizan arquitecturas de reducción/elevación para administrar de modo específico la alimentación de las fuentes.

La recolección de energía desde las vibraciones, con dispositivos como Volture V25W de Midé, es una fuente valiosa de alimentación en la automatización de fábricas. .

Figura 1: El generador de energía por vibración piezoeléctrica Volture V25W de Midé.

Es un dispositivo piezoeléctrico sellado herméticamente que está diseñado para utilizarse en entornos rigurosos. Se lo puede utilizar como un sensor, pero también puede integrarse directamente con los chips de administración de alimentación y las baterías de película delgada para brindar una fuente de alimentación confiable. Su objetivo específico es alimentar los nodos de sensor en redes industriales, así como los sensores de aire acondicionado de alto voltaje, en entornos de automatización industriales al utilizar las vibraciones de los motores. Poder monitorear el estado del equipo HVAC, es fundamental para garantizar que la temperatura de la planta de fabricación esté completamente controlada para brindar confiabilidad.

El sensor se monta en la fuente de vibración y se ajusta a la frecuencia de resonancia de la fuente. Las frecuencias dominantes suelen ser evidentes en un motor de CA de 120 Hz o en un dispositivo de 60 Hz para facilitar el ajuste, pero la mayoría de las aplicaciones necesitarán alguna forma de caracterización de vibración para garantizar que la fuente funcione en la frecuencia de resonancia.

El V25W puede entonces conectarse a un dispositivo de administración de alimentación, como el MAX17710 de Maxim. Este es un sistema completo para cargar y proteger las celdas de almacenamiento de micropotencia de fuentes de recolección de energía. Administra fuentes de regulación deficiente con niveles de salida que oscilan entre 1 fW y 100 mW. El dispositivo también incluye un circuito regulador reforzador para cargar la celda de una fuente de tan solo 0.75 V (típico).

Un regulador interno protege la celda contra sobrecargas, y los voltajes de salida suministrados a las aplicaciones de destino se regulan a través de un regulador lineal de caída baja (LDO) con voltajes seleccionables de 3.3 V, 2.3 V o 1.8 V. El regulador de salida funciona en un modo de baja potencia o de ultrabaja potencia seleccionable para minimizar el consumo de la celda. La protección del voltaje interno previene que la celda se descargue en exceso.

Figura 2: El MAX17710 se ajusta específicamente a la alimentación de las fuentes de recolección de energía.

Las celdas solares son una posible fuente de alimentación, incluso en el interior en la planta de fabricación. El MB39C831 de Spansion es un convertidor CC/CC reforzador de rectificación sincrónica de alta eficiencia, que suministra energía de modo eficiente que obtiene de la celda solar con celda única o celdas múltiples o de un generador termoeléctrico (TEG) a una batería de iones de litio.

Controla la salida del convertidor CC/CC y el punto de máxima potencia de la celda solar mediante un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y la función de protección para cargar la batería de iones de litio de modo seguro.

En general, el voltaje de una celda solar varía según la corriente de carga, por lo que es clave el punto de funcionamiento en el que la energía es máxima. El algoritmo de control que realiza el seguimiento de este punto de funcionamiento óptimo comparado con el punto de liberación en el que no hay carga proporciona la máxima eficiencia para la conversión de alimentación.

Figura 3: El MB39C831 realiza el seguimiento del punto de potencia óptimo de la fuente para la conversión de energía más eficiente.

Es posible iniciar desde 0.35 V mediante el uso del diseño de bajo voltaje (Figura 3). El dispositivo se adapta a las aplicaciones en las que una celda solar de celda única es tratada como la entrada, y suministra una salida de 3.0 V a 5.0 V para alimentar el nodo de sensor con una corriente de reposo de 41 µA. Una característica clave del dispositivo es que optimiza la eficiencia de la conversión de alimentación durante la potencia de salida baja al conmutar de modo automático entre el uso de la conversión de modo de frecuencia de pulsos (PFM) y de modo por ancho de pulsos (PWM).

Este enfoque adaptivo también ayuda con otras fuentes de alimentación, como la energía térmica. Esta se puede utilizar en la planta de fabricación para generar energía de diferencias térmicas. Los motores térmicos, como el Laird WPG-1, pueden brindar hasta 1.5 mW de potencia de salida útil y pueden manipular una amplia variedad de resistencias de carga (Figura 4). Se incorpora un convertidor elevador de voltaje ultrabajo para proporcionar potencia de salida útil a diferencias de baja temperatura de menos de 20 °K. La potencia de salida se puede regular para adaptarse a tres puntos de ajuste de voltaje: 3.3 V, 4.1 V o 5.0 V, para alimentar el nodo de sensor o incluso equipos más grandes.

La unidad es un generador de alimentación termoeléctrico de película delgada independiente que recolecta calor de desecho y lo convierte en potencia CC de salida útil para redes inalámbricas de sensores. Para las diferentes diferencias térmicas o voltajes de salida, se encuentran disponibles los servicios de diseño personalizado para adaptar los mecanismos de absorción de calor y disipación de calor.

Figura 4: La salida de corriente del motor térmico Laird WPG-1 según la diferencia de temperatura.

Una manera de mejorar aun más la confiabilidad de una fuente de recolección de energía es utilizar un banco de capacitores para recolectar la energía antes de que se utilice o se almacene en una batería local. Los módulos de recolección de energía EPAD serie EH300/EH301 de Advanced Linear Devices pueden aceptar la energía de numerosas fuentes para proporcionar salidas convencionales de 3.3 V y 5.0 V para aplicaciones con datos de muestreo de ciclo de trabajo intermitente de baja potencia o monitoreo basado en el estado, así como con requisitos de vida útil extremos. Los módulos se autoalimentan de manera completa y siempre están en modo activo por lo que pueden aceptar voltajes de salida instantáneos que oscilan entre 0.0 V y +/-500 V_CA o _CC, y corrientes de salida entre 200 nA y 400 mA de fuentes de recolección de energía que producen energía eléctrica de manera estacionaria o irregular e intermitente con diferentes impedancias de fuente. 

Figura 5: El módulo EH300 de Advanced Linear Devices utiliza un banco de capacitores para proporcionar una administración de alimentación que siempre está encendida desde una variedad de fuentes de recolección de energía.

Cada módulo se configura para funcionar entre dos umbrales de voltaje de alimentación, +V_CC baja y +V_CC alta, correspondiente a los voltajes de alimentación mínimos (V_L) y máximos (V_H) para el nodo de sensor.

Cuando una fuente de energía empieza a inyectar energía en las salidas de un módulo como impulsos de carga, estos paquetes de carga se recolectan, acumulan y almacenan en un banco de capacitores de almacenamiento interno. Para las aplicaciones de recolección de energía más comunes, los paquetes de carga de energía eléctrica llegan en la forma de impulsos parásitos de voltaje de salida que no se pueden controlar ni predecir. Con frecuencia, estos cubren una amplia variedad de voltajes, corrientes y formas de onda de sincronización, lo que puede ser difícil de manejar. A modo de ejemplo, un módulo EH300 puede completar un ciclo dentro de 4 minutos a una corriente de entrada promedio de 10 µA y dentro de 40 minutos a una corriente de entrada promedio de solo 1.0 µA.

Conclusión

La recolección de energía puede ser un modo eficaz de suministrar energía a una red de sensores sin la limitación de los cables de alimentación. Colocar los sensores en el lugar adecuado y alimentarlos con la vibración del equipo o la iluminación anterior puede ser un modo innovador de obtener datos muy útiles para garantizar que los sistemas de la fábrica funcionen de manera confiable. Agregar baterías recargables extiende el ciclo de mantenimiento y reemplazo considerablemente, y proporciona un modo flexible y eficaz monitorear de modo confiable el equipo a través de una red inalámbrica de sensores.