Come utilizzare l'energy harvesting in ambienti di controllo industriale ad alta affidabilità

Questo articolo prende in esame le sfide progettuali che comporta l'uso delle fonti di energy harvesting per alimentare i nodi nell'automazione industriale in cui l'affidabilità gioca un ruolo chiave. Illustra come combinare fonti energetiche come la temperatura e le vibrazioni con sistemi a batteria e collegamenti wireless per assicurare che i nodi di sensori possano essere posizionati esattamente dove occorre e con la massima affidabilità possibile.

Le tecnologie di energy harvesting possono essere utilizzate per migliorare l'affidabilità e la disponibilità dei sistemi industriali. Essendo in grado di localizzare i nodi sensore dove sono necessari indipendentemente dai collegamenti di alimentazione o di comunicazione può fornire dati di qualità superiore. Questo a sua volta può fornire i dati di tendenza per le tecniche come l'algoritmo Kalman che identificano i problemi prima che si verifichino e programmare la manutenzione preventiva o l'uso di attrezzature alternative prima che si verifichi il guasto.

Le tecnologie di energy harvesting superano le sfide poste da semplici nodi di sensori con batteria tampone. Con la presenza in fabbrica di migliaia di nodi, la manutenzione e la sostituzione delle batterie possono essere attività costose e laboriose. L'energy harvesting però viene visto come una fonte inaffidabile che può cambiare drasticamente e, pertanto, spesso non viene preso in considerazione per applicazioni di questo tipo. La combinazione di una fonte di energy harvesting come le vibrazioni, il calore o l'irraggiamento solare con una batteria ricaricabile incarna il meglio dei due mondi. I nodi di sensori standalone possono essere facilmente posizionati in punti difficili da raggiungere e i sistemi a batterie ricaricabili possono durare per migliaia di cicli, allungando enormemente la durata dei nodi.

Tuttavia, questa combinazione richiede una nuova classe di dispositivi di gestione di potenza in grado di fornire energia affidabile da una fonte irregolare, a bassa corrente. Questi dispositivi usano architetture buck-boost per gestire specificamente l'alimentazione proveniente dalle fonti

La raccolta dell'energia sviluppata dalle vibrazioni, con dispositivi come Volture V25W di Midé, è una fonte preziosa di alimentazione nell'automazione di fabbrica. .

Figura 1: Il generatore elettrico piezoelettrico a vibrazioni Volture V25W di Midé.

Questo è un dispositivo piezoelettrico a tenuta stagna studiato per ambienti difficili. Può essere usato come un sensore, ma può anche essere integrato direttamente con chip di gestione di potenza e batterie a film sottile per fornire una fonte di alimentazione affidabile. È studiato espressamente per alimentare i nodi di sensori in reti industriali ma anche i sensori wireless di condizionamento dell'aria a tensione elevata in ambienti di automazione industriale sfruttando le vibrazioni dei motori. La possibilità di monitorare lo stato dell'HVAC è vitale per assicurare il controllo rigoroso e affidabile della temperatura nella fabbrica.

Il sensore viene montato sulla fonte delle vibrazioni e sintonizzato sulla frequenza risonante della fonte. Spesso le frequenze dominanti sono evidenti con un motore c.a. a 120 Hz o un apparecchio a 60 Hz per rendere più semplice la sintonizzazione, ma la maggior parte degli apparecchi avrà bisogno di una qualche forma di caratterizzazione delle vibrazioni per assicurare che la fonte operi alla frequenza risonante.

V25W può poi collegarsi a un dispositivo di gestione di potenza come MAX17710 di Maxim. Si tratta di un sistema completo per caricare e proteggere le celle in cui viene conservata la microenergia proveniente da fonti di energy harvesting. Gestisce fonti scarsamente regolate con livelli di uscita tra 1 fW e 100 mW. Il dispositivo include anche un circuito regolatore boost per caricare la cella da una fonte anche di soli 0,75 V (tipici).

Un regolatore interno protegge la cella da un eccesso di carica e le tensioni di uscita alimentate alle applicazioni di destinazione vengono regolate tramite un regolatore lineare low-dropout (LDO) con tensioni selezionabili di 3,3 V, 2,3 V o 1,8 V. Il regolatore di uscita opera in modalità bassa potenza o bassissima potenza selezionabile per minimizzare il drain della cella. La protezione interna da sovratensioni impedisce che la cella si scarichi troppo.

Figura 2: MAX17710 è accordato sulla potenza delle fonti di energy harvesting.

Le celle solari sono una possibile fonte di alimentazione anche all'interno della fabbrica. MB39C831 di Spansion è un convertitore c.c./c.c. boost a raddrizzamento sincrono ad alta efficienza che alimenta efficientemente l'energia dalla cella solare con una cella singola o con celle multiple, o da un generatore termoelettrico (TEG) a una batteria Li-Ion.

Controlla l'uscita del convertitore c.c./c.c. dopo il punto di massima potenza della cella solare utilizzando un algoritmo di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) e la funzione di protezione per caricare in modo sicuro la batteria Li-Ion.

In genere, la tensione di una cella solare varia a seconda della corrente di carico, per cui il punto operativo in cui la potenza diventa massima riveste un'importanza chiave. L'algoritmo di controllo che tiene traccia di questo punto operativo ottimale rispetto al punto di rilascio a carico zero fornisce la massima efficienza per la conversione di potenza.

Figura 3: MB39C831 tiene traccia del punto di potenza ottimale della fonte per la conversione più efficiente dell'energia.

Usando il design a bassa tensione (Figura 3) è possibile partire da 0,35 V. Il dispositivo si adatta alle applicazioni in cui una cella solare a cella unica viene trattata come ingresso e fornisce un'uscita tra 3,0 V e 5,0 V per alimentare il nodo del sensore con una corrente di quiescenza di 41 µA. Una delle caratteristiche chiave del dispositivo è data dal fatto che ottimizza l'efficienza della conversione di potenza durante la bassa potenza di uscita commutando automaticamente tra l'uso della conversione a modulazione della frequenza di impulso (PFM) e quello della modulazione della larghezza di impulso (PWM).

Questo approccio adattivo aiuta anche nel caso di altre fonti di alimentazione, come l'energia termica. Può essere usato in fabbrica per produrre energia dalle differenze termiche. I generatori come WPG-1 di Laird possono fornire fino a 1,5 mW di potenza di uscita utilizzabile e gestire un ampio intervallo di resistenze di carico (Figura 4). È incorporato un convertitore step-up a bassissima tensione per fornire potenza di uscita utilizzabile a bassi differenziali di temperatura inferiori a 20°K. La potenza di uscita può essere regolata per accettare tre valori di regolazione della tensione - 3,3 V, 4,1 V o 5,0 V - per alimentare il nodo del sensore o dispositivi anche più grandi.

L'unità è costituita da un generatore termoelettrico a film sottile autonomo che raccoglie il calore disperso e lo converte in potenza c.c. di uscita utilizzabile per reti di sensori wireless. Per differenze termiche o tensioni di uscita diverse, sono disponibili servizi di progettazione personalizzata capaci di accettare meccanismi di assorbimento e di dissipazione del calore alternativi.

Figura 4: L'uscita di corrente del generatore WPG-1 di Laird in base alla differenza di temperatura.

Un modo per incrementare ulteriormente l'affidabilità di una fonte di energy harvesting è quello di usare una batteria di condensatori per raccogliere l'energia prima che venga usata o immagazzinata in una batteria locale. I moduli di energy harvesting EPAD serie EH300/EH301 di Advanced Linear Devices possono accettare l'energia da molte fonti per erogare uscite convenzionali di 3,3 V e 5,0 V per applicazioni con dati campionati sul ciclo di lavoro intermittenti a bassa potenza o monitoraggio basato sulle condizioni, come pure requisiti estremi di durata. I moduli sono completamente autoalimentati e sempre nella modalità attiva così possono accettare tensioni di ingresso istantanee tra 0,0 V e ±500 V_c.a. o _c.c. e correnti di ingresso tra 200 nA e 400 mA da fonti di energy harvesting che producono energia elettrica in modo costante, intermittente o irregolare con impedenze della fonte variabili. 

Figura 5: Il modulo EH300 di Advanced Linear Devices usa una batteria di condensatori per fornire una gestione della potenza sempre attiva da diverse fonti di energy harvesting.

Ogni modulo è impostato per operare tra due soglie di tensione di alimentazione, +V_bassa c.c. e +V_alta c.c., che corrispondono alle tensioni di alimentazione minima (V_L) e massima (V_H) per il nodo del sensore.

Quando una fonte di energia inizia a iniettare energia negli ingressi di un modulo come impulsi di carica, questi pacchetti di carica vengono raccolti, accumulati e immagazzinati in un banco di condensatori di storage interno. Per le applicazioni di energy harvesting più comuni, i pacchetti di carica dell'energia elettrica arrivano sotto forma di picchi di tensione d'ingresso che sono incontrollati e imprevedibili. Spesso coprono un ampio intervallo di tensioni, correnti e forme d'onda di temporizzazione, che possono essere difficili da gestire. Come esempio, un modulo EH300 può compiere un ciclo entro 4 minuti con una corrente di ingresso media di 10 µA ed entro 40 minuti con una corrente di ingresso media di soli 1,0 µA.

Conclusione

L'energy harvesting può essere un modo efficiente per alimentare una rete di sensori senza essere limitati dai cavi di alimentazione. Il posizionamento dei sensori là dove sono richiesti, e alimentati dalle vibrazioni dell'apparecchiatura o dalle luci sopra, può essere un modo innovativo per ottenere dati molto utili per assicurare che i sistemi della fabbrica operino in modo affidabile. L'aggiunta di batterie ricaricabili estende enormemente il ciclo di manutenzione e sostituzione e fornisce un modo flessibile ed efficace per monitorare in modo affidabile l'apparecchiatura tramite una rete di sensori wireless.