Os nós sensores sem fio estão sendo cada vez mais utilizados em nosso dia a dia, pois são adequados para uso em ambientes diversos e inacessíveis. Eles não requerem fonte de alimentação porque geralmente são conectados a uma bateria. No entanto, as baterias têm uma vida útil limitada, após a qual devem ser substituídas.
Por Rafik Mitry para a Mouser Electronics. Traduzido para o INCB com permissão da Mouser Electronics.
Publicado em 5 de abril de 2021
Substituí-los leva tempo e esforço e pode incorrer em custos consideráveis. Estender a vida útil da bateria evitaria isso e significaria que um nó sensor autônomo também poderia ser usado para aplicações de longa duração. Isso pode ser alcançado com a ajuda da coleta de energia. Os coletores de energia podem extrair energia disponível do ambiente, como energia mecânica, térmica ou fotovoltaica, e convertê-la em energia elétrica. A seguir, serão mostradas as diferentes tecnologias de colheita de energia e os circuitos necessários para armazenar a energia colhida de forma eficiente.
Tecnologias de Colheita de Energia
Os nós sensores sem fio (WSN) podem detectar, processar e transmitir parâmetros específicos. São de grande importância para monitoramento ambiental e estrutural e também são aplicados na área médica para monitorar a saúde do corpo humano. Eles são normalmente alimentados por bateria e frequentemente usados por longos períodos, o que significa que a duração da bateria é crítica.
Os nós sensores são frequentemente usados em locais inacessíveis, portanto, carregar ou substituir as baterias no final de suas vidas é ainda mais caro e antieconômico. Existem várias abordagens para reduzir o consumo de energia das RSSFs e maximizar a vida útil da bateria. Entre elas estão a regulação do consumo de energia dentro da RSSF e a programação de seu funcionamento com base em ciclos de trabalho. Aqui, o nó sensor está continuamente no modo de baixa energia (sono profundo) e é ativado por um curto período de tempo para aquisição de dados, cálculos, medições e comunicação.
Como muitos aplicativos emergentes exigem tempos de vida de rede de várias décadas, as baterias estão atingindo seus limites. Se for necessária uma aplicação de longo prazo, que exceda a vida útil da bateria, a vida útil da bateria pode ser estendida por um coletor de energia. Isso garante que o nó sensor sem fio se torne autoalimentado e atinja a vida útil necessária. A Figura 1 mostra como a vida útil de uma RSSF pode ser estendida com captação de energia.
Para que os coletores de energia forneçam energia a uma RSSF, primeiro é necessário investigar as fontes de energia ambiente disponíveis. Algumas fontes primárias de energia ambiente são luz, calor, vibração mecânica, radiofrequência (RF) e vento. Essas fontes de energia precisam de um transdutor para converter a energia captada em energia elétrica, como células fotovoltaicas para iluminação interna, elemento piezoelétrico para vibrações e gerador termoelétrico (TEG) para diferenciais de temperatura. Um circuito de gerenciamento de energia é então necessário para armazenar a energia coletada em uma bateria ou um supercapacitor.
Gerenciamento de energia
O circuito de gerenciamento de energia visa conectar o coletor de energia ao nó sensor enquanto maximiza a energia coletada. O primeiro aspecto a considerar no circuito de gerenciamento de energia é a tensão de saída do harvester, pois a tensão de saída varia com o tipo de coletor de energia. Por exemplo, a saída de um gerador termoelétrico é uma tensão DC na faixa de milivolts. Por outro lado, a saída de um gerador piezoelétrico é uma tensão CA, que pode estar na faixa de volts de um ou dois dígitos. Nesse caso, o circuito de gerenciamento de energia deve retificar a saída do coletor de energia e convertê-la na faixa entre 1,8 V e 3,6 V. Isso corresponde à tensão operacional padrão dos nós sensores. Além disso, o circuito de gerenciamento de energia deve combinar sua impedância interna com a do gerador piezoelétrico (normalmente quilo ou mega-ohm) para maximizar a transferência de energia.
Retificação
Os coletores de energia que geram tensão CA são eletromagnéticos (rádio frequência), eletromagnéticos (mecânicos), eletrostáticos e piezoelétricos. Para ser útil na alimentação de uma RSSF, a tensão CA gerada pelo coletor de energia deve ser retificada. A retificação é o primeiro componente necessário para o circuito de gerenciamento de energia. A Figura 2 mostra um circuito retificador em ponte de onda completa conectado a um elemento piezoelétrico.
Um retificador de ponte é preferível a um único diodo, pois fornece retificação de onda completa, convertendo a tensão alternada em uma tensão CC pulsante. Com diodos reais, uma tensão direta deve ser levada em consideração. Isso corresponde a 0,7V para diodos de silício, enquanto para diodos de germânio corresponde a 0,3V e cai para 0,1V para diodos Schottky. A capacitância Cr (Figura 3) serve como um capacitor de suavização. Neste caso, a tensão retificada é armazenada no capacitor como energia elétrica e alimenta a carga RL.
Conversor CC/CC
A outra função principal do circuito de gerenciamento de energia é regular a tensão gerada pelo coletor de energia. Se a tensão for muito baixa, ela deve ser aumentada. Por outro lado, se a tensão for muito alta, ela deve ser diminuída. Para que uma RSSF funcione, a tensão de operação deve estar regulada entre 1,8V e 3,6V. Isso deve ser feito de forma mais eficiente para que as perdas de energia sejam minimizadas. O circuito de gerenciamento de energia também é responsável por recarregar as baterias da RSSF. Para facilitar o processo de projeto, vários produtos estão disponíveis para lidar com o gerenciamento de energia de uma RSSF alimentada por um coletor de energia.
O e-peas AEM10941 é um circuito integrado de gerenciamento de energia de coleta de energia que pode extrair energia CC de painéis solares de até 7 células. Ele inclui um conversor boost de potência ultrabaixa que pode recarregar uma bateria de íons de lítio (Li-ion), uma bateria de filme fino ou um supercapacitor. O AEM10941 apresenta uma inicialização a frio de potência ultrabaixa e pode começar a operar com tensões de entrada tão baixas quanto 380mV e potência de entrada de apenas 3µW. Possui duas tensões de alimentação:
• LVOUT (baixa tensão) com 1,2V ou 1,8V para alimentação de um microcontrolador.
• HVOUT (alta tensão), que pode alimentar um rádio transceptor com tensão configurável entre 1,8 V e 4,1 V.
Ambas as tensões de alimentação são acionadas por um regulador Low-Dropout (LDO) de alta eficiência, garantindo baixo ruído e alta estabilidade. A Figura 3 mostra um esquema de uma aplicação típica para o AEM10941.
O Analog Devices LTC3331 é outro circuito IC de gerenciamento de energia tudo-em-um. O LTC3331 pode ser conectado a um coletor de energia de fontes como piezoelétricas, solares ou magnéticas. Possui um retificador de ponte de onda completa integrado e combina um regulador de comutação buck e um regulador de comutação buck-boost. Um priorizador no chip seleciona o conversor apropriado a ser usado com base na energia coletada ou na energia disponível da bateria. O LTC3331 pode lidar com tensões de entrada de coleta de energia entre 3V e 19V. Ele também inclui um carregador de bateria shunt de baixa corrente quiescente que pode carregar uma bateria Li-Ion com a energia coletada. A Figura 4 mostra um esquema de circuito de uma aplicação típica para o LTC3331.
Armazenar
Baterias recarregáveis e supercapacitores são duas alternativas de armazenamento de energia que ocorrem com mais frequência. Os supercapacitores são semelhantes aos capacitores convencionais, mas oferecem uma capacidade muito alta em um tamanho menor. Eles oferecem várias vantagens sobre as baterias recarregáveis. Os supercapacitores podem ser:
Carregada e descarregada com a frequência desejada, enquanto a vida útil típica de uma bateria eletroquímica é inferior a 1.000 ciclos.
Recarregado rapidamente com circuitos de carregamento simples, reduzindo a complexidade do sistema e não exigindo circuitos de proteção de carga total ou descarga profunda.
A corrente de fuga e a autodescarga são fenômenos que afetam tanto as baterias quanto os supercapacitores. A vantagem das baterias é que a auto-descarga é muito menor do que nos supercapacitores porque as baterias têm energia específica mais alta e podem manter a carga por períodos mais longos.
Conclusão
Agora, a pergunta a ser feita: vale a pena coletar energia? Isso depende de quanto tempo você deseja executar seu aplicativo. A coleta de energia provou que pode prolongar a vida útil das baterias para suportar a RSSF por um período mais longo, mas isso só é viável se a energia coletada puder cobrir o consumo de energia da RSSF.
Biografia do autor
Rafik Mitry ingressou na Mouser Electronics em 2019 após concluir seu mestrado em Engenharia Elétrica na Universidade Técnica de Munique, onde também trabalhou em pesquisa na área de captação de energia por três anos. Como engenheiro de marketing técnico da Mouser, Rafik cria conteúdo técnico exclusivo que reflete as tendências tecnológicas atuais e futuras da indústria eletrônica. Além de acompanhar as últimas tendências em tecnologia, Rafik é um ávido amante da aviação e do tênis.
