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Resulta importante que la electrónica consuma la menor energía posible

Extendiendo la vida útil de la batería en aplicaciones inalámbricas mediante el uso de supercondensadores

Martin Keenan, director técnico de AVNET Abacus

26/06/2020
Se calcula que hay 9.900 millones de conexiones IoT activas en 2020, llegando a los 21.500 millones en 2025[1], cada una de ellas con electrónica funcional, quizá un microcontrolador, y un transceptor inalámbrico de algún tipo.

La alimentación para estos sensores, contadores, concentradores de datos remotos gateways y otros elementos sólo suele estar disponible desde una batería integral que puede necesitar ser físicamente pequeña y, en consecuencia, tener limitaciones de almacenamiento de energía. Por lo tanto, resulta importante que la electrónica consuma la menor energía posible para evitar los inconvenientes y los costes de mano de obra de la sustitución periódica de la batería y el periodo de inactividad.

Las diferentes tecnologías inalámbricas tienen diversos consumos de energía

Uno de los principales contribuyentes al consumo de energía “promedio” y “pico” es el chipset inalámbrico, con diferentes protocolos, que intercambian cobertura y velocidad de datos por consumo de corriente. La Tabla 1 muestra una comparación de algunas tecnologías comunes.

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Tabla 1: Comparación de las tecnologías inalámbricas.

La energía consumida tiene un valor “promedio” y un valor “pico”, normalmente cuando el transmisor inalámbrico está activo. Esto puede variar considerablemente entre las tecnologías con algunos valores típicos dados en la Tabla 2.

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Tabla 2: Consumo de energía indicativo de las tecnologías inalámbricas.

Por supuesto, la energía promedio depende de la actividad de la comunicación, que a su vez determinará el tamaño de la batería para la duración deseada. Por ejemplo, Sigfox, con un consumo promedio de 60 µW desde un carril de 3 V, representa un gasto medio de 20 µA.

Dicho de otra forma, ¿para rendir un año entero u 8760 horas sería suficiente una batería de 20 x 10-6 x 8760 = 175 mAh?

Esto se puede cumplir con la ratio nominal de una pila de botón de litio - dióxido de manganeso Murata CR2032R de 200 mAh y una tensión nominal de 3V. La capacidad especificada es para un consumo de 1 mA y la celda está asignada a una corriente de carga continua de 3 mA. No obstante, en la transmisión, con una potencia de 80 mW, la demanda de corriente ronda los 30 mA. Como la batería tiene una resistencia interna de unos 6 ? a 23 °C, la caída de tensión de 0,18 V y, si la batería se encuentra cerca del fin de su capacidad, definida como Punto Final Funcional (Functional End Point - FEP), una tensión de terminal de 2 V, la tensión de la carga podría caer por debajo de las especificaciones. Peor aún, incluso si la caída de 180 mV resulta aceptable, las cargas de pulso en las celdas de litio reducen la capacidad de mAh total disponible, por lo que la vida útil no puede estar cerca del objetivo[2].

Como ejemplo, la Figura 3 muestra que, si las cargas de pulso de 30 mA se recogen desde la batería CR2032, con un ciclo de trabajo de 0,1 segundos, (1 ms en “encendido” y 10 ms en “apagado”), la capacidad se puede reducir a la mitad desde el valor de 1 mA.

Estas condiciones son similares a los intervalos de conexión más cortos para Bluetooth Low Energy y ANT+. El gráfico del medio indica que incluso con una carga constante de 3 mA, que es la media de los pulsos de 30 mA, la capacidad disminuye y la capacidad total sólo se encuentra disponible si se consume toma 1 mA.

 

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Figura 1: La capacidad total mAh de la batería CR2032 sólo está disponible con una corriente asignada de 1 mA.

Las capacidades mostradas son para las temperaturas típicas de los equipos y la propia batería está diseñada para una operación de -30 a +70 °C y, a bajas temperaturas, pierde alrededor del 10 por ciento de la capacidad. Con un terminal de -30 °C, la tensión también cae alrededor de 200 mA extra con carga y existe un auto descarga anual de cerca del 1 por ciento a +23 °C.

Queda claro que la vida útil funcional de una batería de litio en una aplicación inalámbrica puede defraudar. En nuestro ejemplo, con el objetivo de una vida de batería de un año, una pila de botón CR2032 podría ser insuficiente para la función inalámbrica y esto no tiene en cuenta el consumo de corriente de otros componentes electrónicos. Además, los picos de elevada corriente a lo largo de la ESR de la batería provocarán una caída de tensión que, a su vez, puede encontrarse fácilmente por debajo del voltaje operativo mínimo del chipset, incluso antes de que la capacidad de la batería se haya agotado.

 

Los supercondensadores evitan las pérdidas de capacidad de la batería

Una manera de mejorar la situación es eliminar las demandas de pico en la batería, que se traduce en caídas de tensión y pérdida de capacidad mediante el uso de un supercondensador paralelo.

Estos “Supercaps” tienen una fracción de la capacidad de almacenamiento de energía de una batería (densidad de energía), pero poseen una densidad de potencia mucho mayor. Y esto se manifiesta en la capacidad de suministrar elevados picos de corriente con una caída de tensión pequeña con los valores ESR medidos en unos pocos mΩ. Con los valores de capacidad actualmente disponibles situados en miles de Faradios con una tensión asignada de 2,7 V, los supercondensadores pueden entregar pulsos de energía significativos, dejando que la batería sólo suministre la corriente promedio a la carga y recargando el condensador lentamente. Un beneficio añadido es que la pila de botón se puede sustituir sin un parón en la operación, ya que el supercondensador suministra energía temporalmente.

Algunos supercondensadores se encuentran disponibles con ratios de 3 V, como los de la serie SCC de AVX con una capacidad de hasta 50 F, y se pueden adaptar directamente en una pila de botón CR2032. Esta gama opera de -40 a +65 °C y hasta +85 °C si la tensión se limita a 2,5 V.

En nuestro ejemplo de corrientes de pulso de 30 mA, utilizando un condensador de 1 F de la familia SCC con una ESR de 860 mΩ en la CR2032, se espera que la corriente recogida desde la pila de botón pueda reducirse en proporción a la ratio del valor ESR de la pila y el supercondensador, alrededor de 10:1, dejando los pulsos de corriente de la batería en 3 mA y aumentando así su capacidad. La tensión caerá alrededor de 30 mA x 0,86 = 26 mV debido a las ESR del condensador y la pila y el condensador de 1 F perderá energía 3 V x 30 mA x 1 ms = 90 µJ durante el pulso. Si la tensión inicial es de 3 V, esta pérdida de energía en el condensador se traducirá en una caída de tensión adicional de menos de 1 mV. Se calcula al igualar los 90 µJ con la diferencia entre la energía almacenada a 3 V, 0.5C(3)2 y la energía almacenada a la tensión reducida Vr, 0.5C(Vr)2 y resolver la ecuación para Vr.

En nuestro ejemplo anterior para una aplicación Sigfox donde el pico es 30 mA y el promedio 20 mA, se puede añadir una resistencia extra en serie con la pila de botón para reducir su contribución a la demanda de pico y extender su capacidad. El supercondensador se dimensiona con esta resistencia para garantizar que se encuentra totalmente recargado entre los picos de corriente.

La corriente de fuga del supercondensador es importante

Una consideración práctica es la corriente de fuga del supercondensador. Puede ser significativa para valores de alta capacidad, pero el modelo SCC de 1 F de AVX antes mencionado tiene un máximo de 6 µA. Se mide pasadas 72 horas, ya que comienza más alta y se reduce con el paso del tiempo. La fuga consume directamente la energía de la batería y necesita tenerse en cuenta en lo que se refiere al tamaño de la batería.

Donde esto supone un problema, otras gamas de supercondensador poseen valores de fuga mucho menores, desde alrededor de 1 µA, que tendría un efecto insignificante en la capacidad total. Para minimizar dicha fuga, la subida de temperatura tiene que mantenerse lo más baja posible, aunque a alrededor de +45 °C no es un aumento significativo.

En aquellas aplicaciones donde el supercondensador está especificado a 2,7 V o menos a elevadas temperaturas, se necesita contar con un regulador de baja caída (LDO) entre una pila de botón de 3 V y un supercondensador para impedir una sobretensión. La tensión excesiva tiene un efecto directo en la vida útil del supercondensador.

Los test efectuados por AVX[3] demuestran que, limitando al 70 por ciento el voltaje de un supercondensador típico de su serie SCM, es posible superar las pruebas de aceptación de 4000 horas/85 °C sin fallos y lograrlo con valores de capacidad y ESR estables. Cualquier LDO usado debe ofrecer un consumo quiescente muy bajo para evitar la pérdida de capacidad de batería y una caída de tensión baja para poder utilizar la tensión de la batería al máximo cuando se acerca a FEP.

La humedad también puede afectar a la fiabilidad y al rendimiento del supercondensador. Para las aplicaciones más exigentes, se encuentran disponibles componentes de alta fiabilidad en la gama SCM de AVX, con unas excelentes prestaciones en las pruebas de 4000 horas a una temperatura de 40 °C y una humedad relativa del 95 por ciento[4].

Los supercondensadores en serie pueden necesitar balance

Los supercondensadores se pueden colocar en serie con la intención de incrementar la tensión y eliminar la necesidad de limitación de voltaje con un LDO. En esta configuración, resulta importante que los supercondensadores se emparejen para la corriente de fuga, de otra manera un componente tendría que soportar una tensión superior, reduciendo su fiabilidad. El balance se puede conseguir simplemente con resistencias en paralelo a los supercondensadores, pero esto desperdicia energía y capacidad de batería. Un circuito activo logra el balance con menor pérdida si el amplificador operacional empleado es de tipo “micro-power”. La Figura 2 muestra un circuito típico, donde I2C equilibra los condensadores C1 y C2. En este caso, la fuente es un array fotovoltaico de acumulación de energía. IC1 y Q1 restringen las tensiones de la célula fotovoltaica a un máximo de 2,754 V.

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Figura 2: Balance de tensión de los supercondensadores C1 y C2 por IC2 en una aplicación de acumulación de energía fotovoltaica.

Los supercondensadores se encuentran disponibles encapsulados en disposiciones en serie y paralelo sin necesidad de un balance adicional, con elementos garantizados para estar emparejados en la producción, como los de la serie SCM de AVX (Figura 3).

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Figura 3: Supercondensadores conectados en serie de hasta 9 V de la serie AVX SCM.

Conclusión

Los supercondensadores pueden extender la vida útil operativa de las baterías normalmente usadas para aplicaciones inalámbricas de bajo consumo a un periodo de entre diez y veinte años, eliminando con eficacia la necesidad de sustitución, posibilitando productos sellados y reduciendo significativamente los costes de mantenimiento. Y, para optimizar los beneficios y la fiabilidad, hay que tener muy en cuenta el tamaño, la corriente de fuga y la tensión aplicada a los supercondensadores.

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