Usar supercapacitores para hacer que los nodos IoT sean inmunes a las caídas de tensión.

Cuando las redes de Internet de las Cosas (IoT) o las redes de IoT Industrial (IOT) se colocan en la misma red eléctrica principal utilizada por los clientes residenciales de electricidad, están sujetas a fluctuaciones de energía, apagones o incluso una pérdida total de energía eléctrica durante decenas de segundos. Los nodos sin estado pueden reanudar su funcionamiento al encenderse; sin embargo, los nodos que deben mantener el estado a lo largo del tiempo se restablecerán al encenderse, lo que puede dar lugar a fallos de funcionamiento, retrasos o pérdida de rendimiento de la red.

Las baterías de reserva son una forma de evitar los reinicios, pero tienen una vida útil limitada y son potencialmente más caras durante la vida útil del dispositivo. En su lugar, se pueden utilizar supercapacitores-capacitores electrolíticos polarizados con valores de 1 faradio (F) o superiores.

Este artículo discute la importancia de asegurar que los dispositivos de IoT y IIoT que están ejecutando procesos críticos permanezcan alimentados. A continuación, muestra cómo aplicar supercapacitores para proporcionar protección contra las caídas de tensión y las caídas de potencia utilizando dos dispositivos de ejemplo, uno de cada AVX Corporation y Illinois Capacitor.

El problema de poner nodos de IoT en la red eléctrica residencial

Las instalaciones industriales que llevan a cabo procesos críticos a menudo tienen generadores de energía de reserva en caso de un corte temporal de energía de la compañía eléctrica. Las redundancias y los generadores múltiples aseguran que la energía se mantenga constantemente, excepto en casos extremos de cortes de energía prolongados. La fábrica puede incluso tener su propia línea de energía dedicada desde la red eléctrica principal para asegurar un suministro continuo de energía eléctrica, que también puede proporcionar cierta inmunidad a los cortes de energía en el resto de la red.

Muchos nodos pequeños o no críticos de IoT usan energía de la misma red de energía residencial que usan los hogares de la zona sin ningún sistema costoso de baterías de respaldo. Dependiendo del diseño de la red, un apagón o una pérdida momentánea de energía puede reiniciar los sistemas, apagar las máquinas y resultar en una pérdida de datos y rendimiento.

Hay varias opciones para evitar esta pérdida de datos. Los generadores de reserva que funcionan con gasolina o gas natural pueden suministrar energía durante un período de tiempo prolongado, pero son caros en términos de materiales e instalación. Los generadores de reserva también requieren mantenimiento y pruebas periódicas. Este costo adicional y la mano de obra puede llegar rápidamente a un punto en el que la red de IoT ya no es rentable hasta el punto de ser impracticable para su propósito inicial.

Otra opción es una unidad de respaldo de batería. Estas usan baterías de plomo y son una forma confiable de proveer energía de respaldo por cortos períodos de tiempo. Sin embargo, estas requieren una inspección y pruebas regulares. Además, las baterías de plomo-ácido tienen un ciclo de vida limitado y por lo tanto requieren un reemplazo regular, lo que aumenta el costo y la mano de obra. Para complicar aún más el mantenimiento, las baterías de plomo-ácido en las unidades de respaldo de las baterías a veces no fallan de manera predecible y pueden fallar poco después de ser activadas durante un corte de energía.

Tanto los generadores de reserva como las unidades de reserva de la batería son voluminosos y requieren espacio adicional. Para las redes compactas de IoT puede ser poco práctico o imposible implementar estas soluciones.

Una opción común es poner una pequeña batería de reserva en el nodo IoT. Es una opción barata comparada con los generadores y las unidades de batería de reserva. Una batería de ión de litio (Li-Ion) ocupa poco espacio y requiere un mantenimiento limitado. Sin embargo, las baterías de Li-Ion tienen un tiempo de ciclo limitado, a menudo tan bajo como 500 ciclos de carga y descarga, lo que resulta en un reemplazo periódico. Las baterías de Li-Ion también tienen una temperatura de funcionamiento muy limitada. Las temperaturas heladas reducen la capacidad de una batería de Li-Ion, lo que conduce a un daño permanente, mientras que las temperaturas muy calientes pueden dañar progresivamente la batería y conducir a la fuga térmica.

En cambio, una forma fácil y económica de proporcionar energía temporal instantánea durante los apagones o las pérdidas de energía a corto plazo es poner un supercapacitador en el nodo de IoT.

Características y capacidades de los supercapacitores

Los supercapacitores son condensadores electrolíticos polarizados con una capacidad de 1 °F o más. Como capacitores, pueden cargarse y descargarse en cuestión de segundos, por lo que pueden actuar como una batería recargable de corto plazo para los nodos IoT. Con una descarga de corriente constante, el voltaje a través de los terminales del supercapacitor caerá linealmente con el tiempo.

Los supercapacitores tienen tiempos de ciclo virtualmente ilimitados de más de un millón de ciclos, lo que permite que se carguen y descarguen constantemente sin afectar la capacidad o la vida útil. A diferencia de las baterías químicas, el ciclo de carga de un supercapacitor tiene un efecto mínimo en el dieléctrico del capacitor o en los electrodos. Los supercapacitores no se ven afectados por el calor y el frío y pueden funcionar con seguridad a temperaturas extremas que dañarían una batería de Li-Ion.

Cargar un supercapacitador es simple y no requiere un circuito sofisticado para mantener el estado de carga ya que los capacitores no pueden ser sobrecargados. Sin embargo, aplicar un voltaje inverso a los terminales polarizados o aplicar un voltaje a un supercapacitador que sea más alto que el máximo nominal puede acortar su vida.

La selección de un supercapacitor es una serie de compensaciones. Por supuesto, cuanto mayor sea su capacidad, más tiempo podrá suministrar energía, siendo todas las cosas iguales. Sin embargo, este aumento de la capacidad no solo conlleva un aumento del costo, sino también un aumento significativo del tamaño: los supercapacitores son componentes voluminosos y es importante considerar la longitud y el diámetro en la disposición de la placa de la computadora, especialmente si se debe hacer espacio para un supercapacitor más grande más adelante.

El aumento del tamaño del tablero de la computadora personal puede ser inaceptable para algunas aplicaciones, limitando la capacidad del supercapacitador. Un supercapacitor más grande también puede interferir con el flujo de aire alrededor del nodo IoT, lo que puede dificultar la disipación de calor. Todas estas son consideraciones importantes cuando se diseña un supercapacitor para protección contra caídas de tensión o de energía.

Tiempo de descarga del supercapacitor

La ecuación 1 puede utilizarse para calcular el tiempo de descarga estimado de un supercapacitor, dando una buena estimación del tiempo que puede impulsar un circuito en caso de una pérdida de potencia.

 Ecuación 1

Donde:

t_segundos = Tiempo en segundos que el supercapacitador puede suministrar suficiente energía al circuito

C_Faradios = Capacidad en faradios

V_max = El voltaje a través del condensador en el momento inicial de la descarga

V_min = La tensión mínima a la que el condensador puede descargarse antes de que sea insuficiente para alimentar el circuito

I_max = El máximo consumo de corriente del circuito en amperios (en el peor de los casos)

Como todos los capacitores, los supercapacitores tienen una resistencia en serie equivalente (ESR). Sin embargo, la ESR varía en función de la temperatura, el voltaje del capacitor y el consumo de corriente. Para valores de condensadores de más de un faradio, la ESR es inferior a 10 miliohms (mΩ), lo que hace que el efecto de la ESR en los tiempos de descarga sea mínimo.

Para un uso efectivo en la protección contra las caídas de tensión, el ingeniero necesita seleccionar un supercapacitor que pueda satisfacer la Ecuación 1 para la aplicación dada. Los desarrolladores también deberían probar sus sistemas en condiciones simuladas de apagón y pérdida de energía para observar el funcionamiento real utilizando componentes seleccionados de la placa. Dado que el capacitor puede cargarse inicialmente a un voltaje más alto que el requerido para el funcionamiento del circuito, se recomienda un regulador de baja caída (LDO) para gestionar la salida de voltaje del capacitor.

Una simple protección contra la caída de tensión y la caída de energía

Para una simple protección contra caídas de tensión en caso de una caída de la línea eléctrica que dure solo unos segundos, o para una protección contra caídas de tensión que dure menos de un minuto, los supercapacitores más pequeños pueden mantener los pequeños nodos de IoT funcionando. Por ejemplo, el supercapacitador SCMR22L105SRBB0 de AVX Corporation de 1.0 F tiene 8 milímetros (mm) de espesor y 22 mm de ancho (Figura 1). Es apropiado para entornos duros y tiene una temperatura de funcionamiento de -40 °C a +65 °C, temperaturas inadecuadas para cualquier batería de Li-Ion. Los cables radiales para el montaje vertical ayudan a ahorrar espacio en el tablero de la PC.

Figura 1: El SCMR22L105SRBB0 es un supercapacitor de plomo radial que mide 8 mm x 22 mm. (Fuente de la imagen: AVX Corporation)

El ESR del SCMR22L105SRBB0 es solo 840 mΩ, asegurando una muy baja pérdida de energía durante la descarga. Su voltaje de carga máximo es de 9 voltios.

Al usar la ecuación 1, el tiempo de descarga puede ser calculado para un simple nodo de IoT dibujando 80 miliamperios (mA). Para un sistema de 3.3 voltios con un adaptador común de CA que suministra 9 voltios para cargar el condensador a la máxima tensión, con un regulador ideal de baja caída (LDO), este condensador de 1.0 F podría suministrar energía durante 71 segundos en condiciones óptimas. El SCMR22L105SRBB0 tiene una tolerancia de capacitancia de ±30% sobre la temperatura y el voltaje nominal, así que con una capacitancia en el peor de los casos de 0.70 F, puede suministrar 80 mA durante unos 50 segundos. Esto variará en función de las tolerancias de fabricación de los condensadores individuales, por lo que es mejor diseñar para el peor de los casos.

En el peor de los casos, 50 segundos de suministro de corriente para este ejemplo, el SCMR22L105SRBB0 es más que adecuado para manejar caídas de tensión en situaciones de apagón.

Cuando se coloca un supercapacitor, los cables deben ser encaminados como si fueran trazas de energía para minimizar la interferencia electromagnética (IEM). Además, el manguito aislante del supercapacitador no debe entrar en contacto con la placa de la computadora o cualquier otro componente. Si el manguito se daña por las temperaturas extremas de la soldadura o por fuerzas externas, la lata de metal del supercapacitador puede hacer un cortocircuito, lo que resulta en un mal funcionamiento del circuito.

Para aplicaciones de mayor capacidad, Illinois Capacitor fabrica el supercapacitor DSF407Q3R0 400 F clasificado a 3.0 voltios (Figura 2). Con un diámetro de 35 mm y una longitud de 60 mm, es significativamente más grande que el dispositivo mencionado anteriormente. Debido a que la aplicación de la polaridad inversa en un supercapacitor de 400 F puede destruir el componente, el DSF407Q3R0 tiene dos clavijas con llave sin conexión para evitar errores en el montaje.

Figura 2: El supercapacitor de Illinois Capacitor 400 F requiere un espacio extra en la placa con un diámetro de 35 mm y una longitud de 60 mm. Tiene dos clavijas con llave para evitar el ensamblaje de la polaridad inversa. (Fuente de la imagen: Illinois Capacitor)

Si bien la clasificación de 3 voltios puede no parecer impresionante en el contexto de la ecuación 1, la clasificación de 400 F proporciona una gran capacidad. La tolerancia de capacidad es de ±30%, lo que resulta en una clasificación del peor caso de 280 F. Para un sistema de 2.7 voltios que consume 350 mA, según la ecuación 1, cargar el capacitor a su clasificación de 3.0 voltios resulta en 343 segundos de energía típica de reserva a 400 F, y 240 segundos del peor caso a 280 F. Esto supone un LDO ideal, por lo que es importante realizar una prueba en circuito para ver cómo funciona el supercapacitador en condiciones simuladas de apagón y pérdida de energía.

Un capacitor 400 F puede calentarse, por lo que es importante proporcionar un distanciamiento adecuado de otros componentes. Este capacitor tiene un respiradero en la parte superior, por lo que debe haber un espacio adecuado por encima de él para permitir que el calor se disipe.

Conclusión:

Los supercapacitores pueden utilizarse para proporcionar energía de reserva durante las caídas de tensión y las situaciones de pérdida de energía a corto plazo en los nodos de IoT e IIoT. Tienen ventajas significativas sobre las baterías de Li-Ion, incluyendo ciclos de carga y descarga virtualmente ilimitados, excelente operación de alto voltaje, y alta eficiencia y confiabilidad. El uso adecuado de supercapacitores en los nodos de IoT y IIoT alimentados por la red de CA residencial puede reducir los costos de mantenimiento y del sistema, a la vez que mejora el rendimiento de toda la red.