Utilizzare i supercondensatori per l'immunità dei nodi IoT dalle interruzioni temporanee dell'energia elettrica

Quando le reti per Internet delle cose (IoT) o IoT industriale (IIoT) si trovano sulla stessa rete elettrica principale utilizzata dagli utenti domestici, sono soggette a fluttuazioni di potenza, a interruzioni temporanee dell'energia elettrica o addirittura a una perdita totale di energia elettrica per decine di secondi. I nodi apolidi possono riprendere il funzionamento all'accensione; tuttavia, i nodi che devono mantenere lo stato nel tempo saranno ripristinati all'accensione, il che può causare malfunzionamenti, ritardi o cali di prestazioni della rete.

Le batterie ausiliarie sono un modo per evitare i ripristini, ma hanno una durata limitata e possono essere più costose nel corso della vita del dispositivo. Si possono invece utilizzare supercondensatori elettrolitici polarizzati con capacità di 1 farad o superiore.

In questo articolo si discute l'importanza di garantire che i dispositivi IoT e IIoT che eseguono processi critici rimangano alimentati. Mostra poi come applicare i supercondensatori per fornire protezione contro le interruzioni temporanee dell'energia elettrica e i cali di potenza utilizzando due dispositivi di esempio, uno di AVX Corporation e uno di Illinois Capacitor.

Il problema di nodi IoT sulla rete elettrica residenziale

Gli impianti industriali che svolgono processi critici spesso hanno generatori di riserva in caso di un'interruzione temporanea dell'energia elettrica da parte dell'azienda elettrica. Le ridondanze e generatori multipli assicurano il mantenimento costante dell'energia elettrica, tranne in casi estremi di interruzioni prolungate. La fabbrica può anche avere una propria linea dedicata dalla rete elettrica principale per garantire una fornitura continua di energia, che può anche dare una certa immunità da interruzioni di corrente sul resto della rete.

Molti nodi IoT, piccoli o non critici, utilizzano l'alimentazione della stessa rete elettrica residenziale utilizzata dalle case della zona senza costosi sistemi di alimentazione ausiliaria a batteria. A seconda del progetto della rete, un'interruzione temporanea dell'energia elettrica o una momentanea perdita di corrente può azzerare i sistemi, spegnere le macchine e causare la perdita di dati e di prestazioni.

Ci sono diverse opzioni per prevenire questa perdita di dati. I generatori di riserva che funzionano a benzina o a gas naturale possono fornire energia per un periodo prolungato ma sono costosi sia nei materiali che nell'installazione. Anche i generatori di riserva richiedono manutenzione e test periodici. Questo costo aggiuntivo e la manodopera possono raggiungere rapidamente un punto in cui la rete IoT non è più efficiente dal punto di vista dei costi e diventare impraticabile per il suo scopo iniziale.

Un'altra opzione è un'unità di alimentazione ausiliaria a batteria. Queste unità usano batterie al piombo e sono un modo affidabile per fornire energia di riserva per brevi periodi. Tuttavia, richiedono un'ispezione e test regolari. Inoltre, le batterie al piombo-acido hanno un ciclo di vita limitato e devono essere sostituite regolarmente, con un aumento dei costi e della manodopera. Per complicare ulteriormente la manutenzione, le batterie al piombo-acido nelle unità di alimentazione ausiliaria a batteria a volte non si guastano in modo prevedibile e possono guastarsi poco dopo essersi attivate da un'interruzione di corrente.

Sia i generatori di riserva che le unità di alimentazione ausiliaria a batteria sono ingombranti e richiedono spazio aggiuntivo. Per le reti IoT compatte può essere poco pratico o impossibile implementare queste soluzioni.

Un'opzione è quella di mettere una piccola batteria di riserva sul nodo IoT. Si tratta di un'opzione economica rispetto ai generatori e alle unità di alimentazione ausiliaria a batteria. Una batteria agli ioni di litio occupa poco spazio e richiede una manutenzione limitata. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio hanno un tempo di ciclo limitato, spesso fino a 500 cicli di carica/scarica, con conseguente necessità di una sostituzione periodica. Le batterie agli ioni di litio hanno anche una temperatura di funzionamento molto limitata. Le temperature di congelamento riducono la capacità di una batteria agli ioni di litio che porta a danni permanenti, mentre temperature molto elevate possono progressivamente danneggiare la batteria e portare al runaway termico.

Invece, un modo semplice ed economico per fornire energia temporanea istantanea durante un'interruzione temporanea dell'energia elettrica o le perdite di potenza a breve termine è quello di inserire un supercondensatore nel nodo IoT.

Caratteristiche e capacità del supercondensatore

I supercondensatori sono condensatori elettrolitici polarizzati classificati a 1 F o più. Come condensatori, possono caricarsi e scaricarsi in pochi secondi, quindi possono agire come una batteria ricaricabile a breve termine per i nodi IoT. Con una scarica a corrente costante, la tensione attraverso i terminali del supercondensatore si riduce linearmente nel tempo.

I supercondensatori hanno tempi di ciclo virtualmente illimitati di oltre un milione di cicli, che ne permettono la carica e la scarica costantemente senza alcun effetto sulla capacità o sulla durata. A differenza delle batterie chimiche, l'attivazione della carica su un supercondensatore ha un effetto minimo sul dielettrico o sugli elettrodi del condensatore. I supercondensatori sono anche relativamente immuni dal caldo e dal freddo e possono funzionare in sicurezza a temperature estreme che danneggerebbero una batteria agli ioni di litio.

La carica di un supercondensatore è semplice e non richiede un circuito sofisticato per mantenere lo stato di carica, poiché i condensatori non possono essere sovraccaricati. Tuttavia, l'applicazione di una tensione inversa ai terminali polarizzati o l'applicazione di una tensione ad un supercondensatore superiore al massimo nominale può ridurne la durata.

La selezione di un supercondensatore prevede una serie di compromessi. Naturalmente, maggiore è la sua capacità, più a lungo sarà in grado di fornire energia, a parità di condizioni. Tuttavia, questo aumento di capacità non solo comporta un aumento dei costi, ma anche un significativo aumento delle dimensioni: i supercondensatori sono componenti ingombranti e la lunghezza e il diametro sono importanti per il layout della scheda CS, soprattutto se si deve fare spazio per un supercondensatore più grande in seguito.

L'aumento delle dimensioni della scheda CS può essere inaccettabile per alcune applicazioni, limitando la capacità del supercondensatore. Un supercondensatore più grande può anche interferire con il flusso d'aria intorno al nodo IoT, che può ostacolare la dissipazione del calore. Queste sono tutte considerazioni importanti quando si progetta in un supercondensatore per la protezione da un'integrazione nella progettazione o dalla diseccitazione.

Tempo di scarica del supercondensatore

L'equazione 1 può essere utilizzata per calcolare il tempo di scarica stimato di un supercondensatore, fornendo una buona stima del tempo che può pilotare un circuito in caso di perdita di energia.

 Equazione 1

Dove:

t_secondi = Tempo in secondi in cui il supercondensatore può fornire sufficiente potenza al circuito

C_Farad = Capacità in farad

V_max = La tensione attraverso il condensatore al momento della scarica iniziale

V_min = La tensione minima alla quale il condensatore può scaricarsi prima che sia insufficiente per alimentare il circuito

I_max = Il massimo (nel peggiore dei casi) assorbimento di corrente del circuito in ampere

Come tutti i condensatori, i supercondensatori hanno una resistenza equivalente in serie (ESR). Tuttavia, l'ESR varia in base alla temperatura, alla tensione del condensatore e all'assorbimento di corrente. Per valori di condensatore superiori a un farad, l'ESR è inferiore a 10 mΩ, il che rende minimo l'effetto dell'ESR sui tempi di scarica.

Per un uso efficace nella protezione da un'interruzione temporanea dell'energia elettrica, l'ingegnere deve selezionare un supercondensatore in grado di soddisfare l'equazione 1 per l'applicazione data. Gli sviluppatori dovrebbero anche testare i loro sistemi in condizioni di interruzione temporanea dell'energia elettrica e di perdita di energia simulate per osservare il funzionamento effettivo utilizzando i componenti della scheda selezionati. Poiché il condensatore può essere inizialmente caricato a una tensione superiore alla tensione di esercizio richiesta del circuito, si raccomanda un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) per gestire la tensione di uscita del condensatore.

Semplice protezione contro l'interruzione temporanea dell'energia elettrica e le cadute di corrente

Per una semplice protezione da interruzione temporanea dell'energia elettrica in caso di una caduta di corrente della linea elettrica che dura solo pochi secondi, o per una protezione dalla caduta di corrente che dura meno di un minuto, i supercondensatori più piccoli possono mantenere in funzione i piccoli nodi IoT. Ad esempio, il supercondensatore SCMR22L105SRBB0 di AVX Corporation offre 1,0 F ed è spesso 8 mm e largo 22 mm (Figura 1). È adatto ad ambienti difficili e ha una temperatura di funzionamento da -40 a +65 °C, temperature non adatte a qualsiasi batteria agli ioni di litio. I conduttori radiali per il montaggio verticale aiutano a risparmiare spazio sulla scheda CS.

Figura 1: SCMR22L105SRBB0 è un supercondensatore a conduttori radiali di 8 x 22 mm. (Immagine per gentile concessione di AVX Corporation)

L'ESR di SCMR22L105SRBB0 è di soli 840 mΩ, garantendo una perdita di energia molto bassa durante la scarica. La sua tensione di carica massima è di 9 V.

Utilizzando l'equazione 1, il tempo di scarica per un semplice nodo IoT può essere calcolato a 80 mA. Per un sistema a 3,3 V con un comune adattatore c.a. che fornisce 9 V per caricare il condensatore alla massima tensione, con un regolatori a bassa caduta di tensione (LDO) ideale, questo condensatore da 1,0 F potrebbe fornire energia per 71 secondi in condizioni ottimali. SCMR22L105SRBB0 ha una tolleranza di capacità di ±30% rispetto alla temperatura e alla tensione nominali, quindi con una capacità nel peggiore dei casi di 0,70 F, può fornire 80 mA per circa 50 secondi. Questo dipenderà dalle tolleranze di fabbricazione dei singoli condensatori, quindi è meglio progettare per il caso peggiore.

Con 50 secondi di fornitura di corrente nel peggiore dei casi per questo esempio, SCMR22L105SRBB0 è più che sufficiente per gestire le cadute di corrente nei casi di interruzione temporanea dell'energia elettrica.

Quando si dispone un supercondensatore, i cavi devono essere instradati come se fossero tracce di potenza per ridurre al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI). Inoltre, il manicotto isolante del supercondensatore non deve entrare in contatto con la scheda CS o con qualsiasi altro componente. Se il manicotto è danneggiato da temperature di saldatura estreme o da forze esterne, l'involucro metallico del supercondensatore può andare in corto, con conseguente malfunzionamento del circuito.

Per applicazioni di maggiore capacità, Illinois Capacitor propone il supercondensatore DSF407Q3R0 da 400 F a 3,0 V (Figura 2). Con un diametro di 35 mm e una lunghezza di 60 mm, è notevolmente più grande del dispositivo appena menzionato. Poiché l'applicazione di polarità inversa su un supercondensatore da 400 F può distruggere il componente, DSF407Q3R0 è dotato di due perni codificati non collegati per evitare errori di montaggio.

Figura 2: Il supercondensatore da 400 F di Illinois Capacitor richiede uno spazio supplementare sulla scheda con un diametro di 35 mm e una lunghezza di 60 mm. Ha due perni codificati per evitare l'assemblaggio a polarità inversa. (Immagine per gentile concessione di Illinois Capacitor)

Mentre il valore nominale di 3 V può non sembrare impressionante nel contesto dell'equazione 1, il valore di 400 F assicura una capacità abbondante. La tolleranza di capacità è di ±30%, con un risultato di 280 F nel caso peggiore. Per un sistema a 2,7 V che assorbe 350 mA, come dall'Equazione 1, la carica del condensatore a 3,0 V nominali risulta in 343 secondi di tipica potenza di standby a 400 F, e 240 secondi nel caso peggiore a 280 F. Questo presuppone un LDO ideale, quindi è importante eseguire una prova dei circuiti per vedere come il supercondensatore si comporta in condizioni simulate di interruzione temporanea dell'energia elettrica e di perdita di energia.

Un condensatore da 400 F può surriscaldarsi, quindi è importante distanziarlo adeguatamente dagli altri componenti. Questo condensatore ha una presa d'aria nella parte superiore, quindi si deve prevedere uno spazio adeguato sopra per la dissipazione del calore.

Conclusione

I supercondensatori possono essere utilizzati per fornire energia di riserva durante le situazioni di interruzione temporanea dell'energia elettrica e di perdita di energia a breve termine nei nodi IoT e IIoT. Hanno vantaggi significativi rispetto alle batterie agli ioni di litio, tra cui cicli di carica e scarica praticamente illimitati, un eccellente funzionamento ad alta tensione e un'elevata efficienza e affidabilità. L'uso corretto dei supercondensatori nei nodi IoT e IIoT alimentati da rete c.a. residenziale può ridurre i costi di manutenzione e di sistema migliorando le prestazioni dell'intera rete.