Coffee, nanoPower e componenti costitutivi della nuova energia intelligente

Già nel 2011 si faceva un gran parlare dell'energia intelligente. In Nord America, le utenze pubbliche hanno iniziato a soppiantare in massa i vecchi contatori a favore degli smart meter. In Brasile, l'ente normativo ANEEL sollevava grande interesse richiedendo l'installazione di smart meter completi in tutto il paese. In Europa, diverse utenze pubbliche stavano sviluppando metodi proprietari per le comunicazioni con gli smart meter.

L'interesse suscitato veniva alimentato dalle soluzioni proposte da varie aziende, le Home Area Network (HAN). Le previsioni per il futuro includevano dispositivi di misurazione dell'energia in tutte le lavatrici, le asciugatrici, i frigoriferi e persino nelle lampadine! Ogni dispositivo avrebbe dovuto comunicare con il router di casa tramite ZigBee, Bluetooth o con altri protocolli di comunicazione a corto raggio e basso consumo.

A questo punto nel 2017, gli smart meter sono installati quasi ovunque in Nord America e in molti paesi in Europa e in Asia. Le utenze pubbliche monitorano il consumo di energia e hanno eliminato i tecnici che si recavano a piedi di casa in casa a leggere i contatori. Ma la visione di una struttura completa di energia intelligente è diversa. La misurazione dell'energia su ogni lampadina non si è concretizzata, probabilmente a causa dell'alto costo di un sistema simile paragonato al costo energetico per tenere accesa una lampadina. Questo contenimento dei costi è ulteriormente migliorato dalla diffusione di lampade a basso consumo, come quelle compatte a fluorescenza o a LED. Forse abbiamo semplicemente massimizzato la nostra necessità di dati a certi livelli di granularità. Ma non bisogna abbandonare le speranze: nonostante l'energia intelligente non sia ancora fruibile, progressi formidabili e numerosi hanno dato origine a una nuova visione.

Un buon esempio lo troviamo nel caffè. Dieci anni fa in Nord America la maggior parte delle persone e dei ristoranti faceva il caffè in un bricco di vetro o ceramica poggiato su un fornelletto. Il fornelletto consumava energia e inoltre lentamente cuoceva il caffè, rovinandone il gusto. Poi qualcuno ebbe la grande idea di mettere il caffè nei thermos, semplicemente conservando il calore del caffè stesso. Questo passaggio mise il caffè "fuori linea", ovvero cessò di essere collegato alla rete elettrica. Inoltre fare il caffè è meno energivoro e dal punto di vista del gusto il risultato è migliore. Questo è un ottimo esempio di energia intelligente.

L'esempio del caffè ci porta ad altri concetti di sistemi di ingegnerizzazione che possono massimizzare le prestazioni e risparmiare energia. La tecnologia nanoPower costituisce un progresso enorme. Il concetto di "nanopotenza" descrive il consumo di corrente di alcuni componenti nel loro stato di quiescenza, quando non sono in piena operatività, ma non sono neppure completamente spenti. I prodotti più recenti, che possono trarre vantaggio dall'avanzata tecnologia di processo CMOS analogica, operano con correnti di nanoampere, praticamente non misurabili. I principali risparmi energetici derivano anzitutto dal ciclo di lavoro di questi sistemi e secondariamente dalla decentralizzazione dell'architettura di consumo energetico. Di seguito sono riportati tre esempi di dispositivi e circuiti che traggono vantaggio dalla tecnologia nanoPower.

I rilevatori di fumo sono stati tra i primi dispositivi per l'Internet delle cose (IoT). Questi hanno la necessità di funzionare per 10 anni per mezzo di una batteria, che sarà così sostituita raramente e potranno restare operativi anche in caso di assenza della corrente elettrica. La Figura 1 mostra un tipico sistema moderno di allarme per il fumo costituito da una batteria, diversi convertitori c.c./c.c., un microcontroller, comunicazioni RF, un sensore (che può avere numerose architetture) e un cicalino piezoelettrico. La tabella nella Figura 1 riporta degli esempi di valori relativi al consumo di corrente per ogni blocco, basato su componenti di ultima generazione. Nel caso di sensori di fumo ottici, le correnti di picco per far funzionare i LED sono dell'ordine dei mA, ma la media scende perché tipicamente i LED vengono attivati relativamente non di frequente. Nella maggior parte degli allarmi, i circuiti attivi possono campionare l'aria solo per lo 0,05% del tempo, il che significa che il sistema resta in stato di quiescenza per il 99,95% del tempo. Tolto il circuito RF, che può avere un ciclo di lavoro completamente diverso, i circuiti principali a piena potenza consumerebbero 12,6 mA. Nei periodi di quiescenza, il consumo dovrebbe scendere a 5,5 µA. Di conseguenza, il consumo di corrente medio per secondo da parte del circuito attivo è 12,6 mA x 0,0005 = 6,3 µA, corrispondente a un consumo medio di 11,8 µA. Qualsiasi corrente di quiescenza superiore a 1 µA inizia ad avere un qualche impatto sulla durata della batteria. Nel campo del consumo di corrente di ~10 µA, ogni µA in più influisce sulla durata di una batteria da 1500 mAhr per un singolo anno.

Figura 1: Un moderno dispositivo di allarme per fumo funziona in stato di quiescenza per la maggior parte del tempo, di conseguenza minore è la corrente di quiescenza migliori saranno le prospettive di durata della batteria.

Un altro beneficio della tecnologia nanoPower deriva dalla capacità di spegnere circuiti all'interno del sistema. In questo tipo di architettura, i componenti critici come il monitoraggio della batteria e il clock in tempo reale restano in funzione, mentre i componenti a maggior consumo energetico, come il microcontroller e i circuiti RF vengono spenti o passano alla loro modalità di consumo minimo. Il circuito della Figura 2 mostra un comparatore a finestra in tecnologia nanoPower che monitora la tensione della batteria. Il comparatore si metterà in allarme solo quando la batteria scende sotto una determinata soglia di tensione, in modo da garantire un'importante funzione di sicurezza e il prolungamento della durata della batteria. Il microcontroller del sistema non ha bisogno di essere attivato a meno che non riceva un allarme dal comparatore che funziona tipicamente con una corrente di 900 nA. Fondamentalmente, tutto ciò diventa un'architettura di energia intelligente, preservando quanta più energia possibile e riservando circuiti specifici per funzioni che devono rimanere sempre attivi.

Figura 2: Comparatore a finestra in tecnologia nanoPower che monitora la tensione della batteria.

Un ultimo esempio è un sistema di alimentazione o da un adattatore o da una batteria, in genere conosciuto come diodo ORing. In questo sistema, un bravo progettista inserisce un diodo Schottky in serie all'alimentazione della batteria per limitare la caduta di tensione e, quindi, perdita di energia attraverso il diodo proteggendo al contempo il circuito (Figura 3). Ad esempio, il nuovo MAX40200 di Maxim assorbe solo 85 mV anche in presenza di una corrente di 1 A, e 43 mV per 500 mA. Queste prestazioni sono due-tre volte superiori a un tipico diodo Schottky, risparmiando in tal modo decine di centinaia di milliwatt della batteria, grazie a una tecnologia intelligente.

Figura 3: MAX40200 assorbe solo 85 mV anche in presenza di una corrente di 1 A.

Ma qual è il nesso con il caffè? Proprio come nell'esempio del caffè è l'architettura che cambia. Diversi sottosistemi si disconnettono dal processore centrale ed effettuano l'inserimento periodicamente riducendo drasticamente il consumo di energia nel processo. I processi avanzati e l'architettura analogica consentono a questi componenti costitutivi di consumare una frazione infinitesimale di quanto facessero in precedenza. Il nuovo concetto di energia intelligente è qualcosa di più della misurazione dell'energia e delle comunicazioni. La nuova energia intelligente è un'architettura di sistema evoluta abbinata a componenti avanzati per il miglioramento della durata delle batterie e dell'affidabilità e per aprire la via a nuove applicazioni.