Reti di sensori wireless ed energy harvesting

ENERGY HARVESTING –

Un dispositivo in grado di raccogliere energia e prolungare la durata delle batterie, con una corrente di riposo estremamente bassa, rappresenta la soluzione ideale per le applicazioni a basso consumo e consente di realizzare una nuova generazione di applicazioni di energy harvesting

Il settore degli alimentatori portatili è ampio e differenziato e comprende prodotti che vanno dai nodi sensori wireless, che consumano una potenza media misurata in microwatt, ai sistemi medicali su carrello o di acquisizione dati con pacchi batterie da diverse centinaia di watt per ora. Eppure, nonostante questa varietà, è emersa qualche tendenza: i progettisti continuano a chiedere più potenza per i loro prodotti per far fronte a funzionalità sempre nuove e vogliono poter caricare la batteria da qualsiasi fonte di alimentazione disponibile. La prima tendenza comporta un aumento della capacità delle batterie. Purtroppo gli utenti spesso sono impazienti, ma le batterie con capacità maggiori richiedono un’adeguata quantità di tempo per essere caricate, con conseguente aumento delle correnti di carica. La seconda tendenza implica una notevole flessibilità della soluzione di carica che deve gestire un’ampia gamma di fonti e di alimentazioni in ingresso.
Per fortuna la fascia bassa dello spettro di potenza comprende i requisiti di conversione con tecnologia nanopower dei sistemi di energy harvesting che generalmente si trovano nelle reti di sensori wireless che richiedono l’uso di convertitori e hanno a che fare con livelli bassissimi di tensione e corrente, nell’ordine, rispettivamente, di decine di microwatt e nanoampere di corrente.
Le moderne tecnologie di energy harvesting standardizzate (ad esempio recupero di energia dalle vibrazioni e celle fotovoltaiche per applicazioni indoor) producono livelli energetici nell’ordine dei milliwatt in condizioni operative tipiche. Mentre tali livelli possono sembrare limitati, l’utilizzo di elementi di recupero energetico nell’arco di un certo numero di anni consente di paragonare le tecnologie alle batterie primarie di lunga durata, sia in termini di fornitura di energia che di costo per unità di energia fornita. Inoltre i sistemi che prevedono l’energy harvesting possono ricaricarsi una volta esauriti, cosa che i sistemi alimentati da batterie primarie non sono in grado di fare. Ciò nonostante la maggior parte delle applicazioni utilizza energia ambientale come fonte di alimentazione principale, integrandola con una batteria primaria da attivare nel caso in cui tale fonte non sia disponibile.

Una Wsn con tecnologia di energy harvesting

Il mondo è ricco di energia ambientale e finora il recupero energetico è avvenuto mediante pannelli solari e turbine eoliche. Esistono tuttavia nuovi strumenti che ci consentono di produrre energia da una vasta gamma di fonti ambientali. Inoltre la cosa importante non è l’efficienza di conversione dei circuiti, ma la quantità di energia “recuperata media” disponibile. Ad esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore (o il freddo) in elettricità, gli elementi piezoelettrici convertono le vibrazioni meccaniche, le celle fotovoltaiche convertono la luce solare (o qualsiasi fonte di fotoni) e i dispositivi galvanici producono energia dall’umidità. In questo modo è possibile alimentare sensori remoti o caricare un dispositivo di accumulo, come un condensatore o una batteria a film sottile, e in seguito alimentare un microprocessore o un trasmettitore da un punto remoto senza una fonte di alimentazione locale. In termini generali, tra le caratteristiche prestazionali di un circuito integrato destinato a entrare e ad essere utilizzato nel settore delle energie alternative figurano:

➢ correnti di riposo basse, normalmente inferiori a 6 µA e pari a 450 nA
➢ tensioni di avviamento basse, 20 mV

➢ elevata tensione di ingresso, fino a 34V continua e 40 V transitoria

➢ capacità di gestire ingressi Ac
➢ uscite multiple e gestione dell’alimentazione del sistema autonoma

➢ autopolarità
➢ Mppc (Maximum Power Point Control) per ingressi solari

➢ capacità di recuperare energia da differenziali di temperatura di 1°C

➢ soluzione compatta con numero minimo di componenti esterni

Le Wsn (Wireless sensor network) sono essenzialmente sistemi autonomi costituiti da un trasduttore per convertire l’energia ambientale in segnale elettrico, seguito da un circuito di conversione Dc/Dc e di gestione per fornire all’elettronica a valle il giusto livello di tensione e di corrente. L’elettronica a valle in genere è costituita da un microcontroller, un sensore e un transceiver. Quando si prova a realizzare una Wsn è opportuno farsi la seguente domanda: quanta energia mi serve per farla funzionare? In teoria è facile rispondere, in realtà è un po’ più difficile a causa di una serie di fattori. Ad esempio, con quale frequenza si devono rilevare i dati? Oppure, cosa più importante, che dimensioni ha il pacchetto di dati e a che distanza va trasmesso? Questo è dovuto al transceiver che consuma quasi il 50% dell’energia usata dal sistema per una sola lettura del sensore. Sono molti i fattori che influiscono sulle caratteristiche di consumo del sistema di energy harvesting di una Wsn. Naturalmente l’energia fornita dalla sorgente di recupero dipende da quanto la sorgente normale rimane attiva. Quindi il criterio principale per confrontare le fonti recuperate è la densità di potenza, non la densità di energia. Dato che il recupero energetico è soggetto a livelli di potenza bassi, variabili e imprevedibili, si utilizza una struttura ibrida che si interfaccia con l’accumulatore di energia e una riserva secondaria. L’accumulatore, per la sua alimentazione illimitata e la carenza di potenza, è la fonte energetica del sistema. La riserva di potenza secondaria, una batteria o una condensatore, fornisce un’alimentazione in uscita maggiore, ma accumula meno energia, fornendo potenza quando necessario, ma ricevendo regolarmente carica dall’accumulatore. Pertanto, in mancanza di energia ambientale, occorre usare la riserva di potenza secondaria per alimentare la Wsn. Per il progettista questo comporta un ulteriore grado di complessità perché deve tenere conto della quantità di energia da accumulare nella riserva secondaria per compensare la mancanza di una fonte di energia ambientale. Tale quantità dipende da vari fattori, tra cui:

- durata del periodo in cui viene a mancare la fonte di energia

- duty cycle della Wsn (cioè la frequenza con la quale effettuare la lettura e la trasmissione dei dati)

- dimensioni e tipo della riserva secondaria (condensatore, supercondensatore o batteria)
- l’energia ambientale è presente in quantità sufficiente da fungere da fonte primaria e caricare una riserva secondaria quando non è disponibile per un determinato periodo di tempo?

Tra le fonti di energia ambientale sono inclusi luce, differenziali di calore, fasci vibranti, segnali RF trasmessi e qualsiasi altra fonte in grado di produrre una carica elettrica attraverso un trasduttore.

Opportunità applicative
Questi livelli di energia possono essere utilizzati per numerose applicazioni. Di seguito alcuni esempi:
sensori di corrosione per aeromobili; finestrini con auto-dimming; monitor per ponti; automazione degli edifici; contatori di elettricità; rilevatori di gas; monitor medicali; controlli HVAC; interruttori della luce; monitoraggio remoto delle condutture; contatori dell’acqua.
Un ottimo esempio delle opportunità offerte dalle energie alternative è il mercato dei dispositivi elettronici a energia solare che continua a crescere, mentre le aziende cercano modi sempre nuovi per ridurre il consumo di energia. Prendiamo ad esempio gli ‘smart meter’: questi dispositivi vengono usati nella ‘smart grid’ e sarebbe vantaggioso alimentarli con energia ambientale per ridurre i costi di esercizio. L’energia solare può essere un’abbondante fonte di energia, ma è variabile e inaffidabile, pertanto quasi tutti i dispositivi a energia solare sono dotati anche di batterie ricaricabili. Un obiettivo importante potrebbe essere quello di estrarre il più possibile energia solare per caricare velocemente queste batterie e mantenere lo stato di carica da sfruttare quando l’energia solare non è disponibile.

Una soluzione con tecnologia nanopower

È chiaro che le Wsn dispongono di livelli di energia molti bassi che i componenti usati nel sistema devono essere in grado di gestire. Mentre il problema è stato risolto nel caso dei transceiver e dei microcontroller, dalla parte dell’equazione che riguarda la conversione c’è un vero e proprio vuoto. Linear Technology, però, ha ideato l’LTC3330, un dispositivo appositamente progettato per soddisfare questa esigenza. L’LTC3330 è una soluzione di energy harvesting di regolazione completa che fornisce fino a 125 mA di corrente di uscita continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia dall’ambiente. Il dispositivo non assorbe corrente dalla batteria quando alimenta il carico tramite l’energia raccolta e richiede solo 750 nA quando è alimentato dalla batteria in assenza di carico. L’LTC3330 comprende un alimentatore di energy harvesting ad alta tensione e un convertitore Dc/Dc buck-boost sincrono se alimentato da una batteria a cella principale per creare una singola uscita non interrompibile per le applicazioni di energy harvesting come quelle delle reti di sensori wireless. L’alimentatore dell’LTC3330, costituito da un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi Ac o Dc e da un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, raccoglie energia da fonti piezoelettriche, solari o magnetiche. L’ingresso a cella principale alimenta un convertitore buck-boost sincrono che funziona da 1,8 V a 5,5 V all’ingresso e, quando l’energia raccolta non è disponibile, può essere usato per regolare l’uscita, a prescindere che l’ingresso sia superiore, inferiore o uguale all’uscita. L’LTC3330 passa automaticamente alla batteria quando la fonte di energy harvesting non è più disponibile; in questo modo il ciclo di vita di una Wsn alimentata da batteria può durare anche più di 20 anni se è disponibile una fonte adeguata per almeno la metà del tempo oppure può avere una durata ancora maggiore se la fonte di energy harvesting è prevalente. Si tratta di un aspetto importante, considerato che una cella ‘C’ Tadiran costa circa 16 dollari. Così i costi per sostituirle con forza lavoro sono notevoli. In alternativa si potrebbe usare una batteria più piccola (che dura meno), abbassando il costo generale del sistema.

La soluzione ideale

Sebbene le applicazioni portatili e i sistemi di energy harvesting richiedano un ampio intervallo di livelli di alimentazione per funzionare correttamente, da pochi microwatt a più di 1 W, il progettista può scegliere tra diversi circuiti di conversione. Ma è nella fascia bassa di tale intervallo, dove vanno convertiti nanoampere di corrente, che la scelta si restringe. L’LTC3330, un dispositivo in grado di raccogliere energia e prolungare la durata delle batterie, con una corrente di riposo estremamente bassa, è la soluzione ideale per le applicazioni a basso consumo. Una corrente di riposo inferiore a un microampere prolunga la durata dalla batteria nei circuiti sempre attivi dei dispositivi elettronici portatili e consente di realizzare una nuova generazione di applicazioni di energy harvesting, come le reti di sensori wireless.

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