Sensor autoalimentado y sin pilas capaz de recoger energía de su entorno

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Un sistema diseñado en el MIT podría permitir que los sensores funcionen en entornos remotos, sin baterías.

Investigadores del MIT han desarrollado un sensor autoalimentado y sin batería que puede recolectar energía de su entorno.

Debido a que no requiere batería que deba recargarse o reemplazarse, y debido a que no requiere cableado especial, dicho sensor podría incrustarse en un lugar de difícil acceso, como dentro del funcionamiento interno del motor de un barco.

Allí, podría recopilar automáticamente datos sobre el consumo de energía y las operaciones de la máquina durante largos períodos de tiempo.

Los investigadores construyeron un dispositivo sensor de temperatura que recolecta energía del campo magnético generado al aire libre alrededor de un cable.

Se podría simplemente enganchar el sensor alrededor de un cable que transporta electricidad (tal vez el cable que alimenta un motor) y automáticamente recolectará y almacenará energía que utilizará para monitorear la temperatura del motor.

“Esta es energía ambiental, energía para la que no tengo que hacer una conexión soldada específica.

Y eso hace que este sensor sea muy fácil de instalar”, dice Steve Leeb, profesor Emanuel E. Landsman de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) y profesor de ingeniería mecánica, miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica y autor principal de un artículo sobre el sensor de recolección de energía.

Los investigadores ofrecen una guía de diseño para un sensor de recolección de energía que permite a un ingeniero equilibrar la energía disponible en el medio ambiente con sus necesidades de detección.

El documento establece una hoja de ruta para los componentes clave de un dispositivo que puede detectar y controlar el flujo de energía continuamente durante el funcionamiento.

El marco de diseño versátil no se limita a sensores que recolectan energía de campo magnético y puede aplicarse a aquellos que utilizan otras fuentes de energía, como vibraciones o luz solar.

Podría usarse para construir redes de sensores para fábricas, almacenes y espacios comerciales cuya instalación y mantenimiento cuesten menos.

“Hemos proporcionado un ejemplo de un sensor sin batería que hace algo útil y hemos demostrado que es una solución prácticamente realizable.

Ahora se espera que otros utilicen nuestro marco para poner en marcha el diseño de sus propios sensores”, afirma el autor principal Daniel Monagle, estudiante de posgrado de EECS.

John Donnal, profesor asociado de ingeniería de armas y controles en la Academia Naval de EE. UU. que no participó en este trabajo, estudia técnicas para monitorear los sistemas de los barcos.

Obtener acceso a la energía en un barco puede ser difícil, dice, ya que hay muy pocos enchufes y restricciones estrictas en cuanto a qué equipos se pueden enchufar.

“La medición persistente de la vibración de una bomba, por ejemplo, podría brindar a la tripulación información en tiempo real sobre el estado de los cojinetes y soportes, pero alimentar un sensor modernizado a menudo requiere tanta infraestructura adicional que la inversión no vale la pena“, añade Donnal.

“Los sistemas de recolección de energía como este podrían permitir modernizar una amplia variedad de sensores de diagnóstico en los barcos y reducir significativamente el costo total de mantenimiento“.

Los investigadores tuvieron que afrontar tres desafíos clave para desarrollar un sensor de recolección de energía eficaz y sin batería.

Primero, el sistema debe poder arrancar en frío, lo que significa que puede encender sus componentes electrónicos sin voltaje inicial.

Lo lograron con una red de circuitos integrados y transistores que permiten que el sistema almacene energía hasta que alcance un cierto umbral.

El sistema solo se encenderá una vez que haya almacenado suficiente energía para funcionar completamente.

En segundo lugar, el sistema debe almacenar y convertir la energía que recolecta de manera eficiente y sin batería.

Si bien los investigadores podrían haber incluido una batería, eso agregaría complejidades adicionales al sistema y podría representar un riesgo de incendio.

“Es posible que ni siquiera puedas darte el lujo de enviar a un técnico para reemplazar una batería.

En cambio, nuestro sistema no requiere mantenimiento. Recoge energía y funciona por sí solo”, añade Monagle.

Para evitar el uso de batería, incorporan un almacenamiento de energía interno que puede incluir una serie de condensadores.

Más simple que una batería, un capacitor almacena energía en el campo eléctrico entre placas conductoras.

Los condensadores se pueden fabricar a partir de una variedad de materiales y sus capacidades se pueden adaptar a una variedad de condiciones operativas, requisitos de seguridad y espacio disponible.

El equipo diseñó cuidadosamente los condensadores para que fueran lo suficientemente grandes como para almacenar la energía que el dispositivo necesita para encenderse y comenzar a recolectar energía, pero lo suficientemente pequeños como para que la fase de carga no demore demasiado.

Además, dado que un sensor puede pasar semanas o incluso meses antes de encenderse para realizar una medición, se aseguraron de que los condensadores puedan retener suficiente energía incluso si algo se fuga con el tiempo.

Finalmente, desarrollaron una serie de algoritmos de control que miden y presupuestan dinámicamente la energía recolectada, almacenada y utilizada por el dispositivo.

Un microcontrolador, el “cerebro” de la interfaz de gestión de energía, comprueba constantemente cuánta energía se almacena e infiere si se debe encender o apagar el sensor, tomar una medición o poner el recolector en una marcha más alta para que pueda recolectar más energía para necesidades de detección más complejas.

“Al igual que cuando cambias de marcha en una bicicleta, la interfaz de gestión de energía observa cómo está funcionando el recolector esencialmente viendo si está pedaleando demasiado fuerte o demasiado suave, y luego varía la carga electrónica para que pueda maximizar la cantidad de energía. está recolectando y adapta la recolección a las necesidades del sensor”, explica Monagle.

Utilizando este marco de diseño, construyeron un circuito de gestión de energía para un sensor de temperatura disponible en el mercado.

El dispositivo recolecta energía del campo magnético y la utiliza para muestrear continuamente datos de temperatura, que envía a la interfaz de un teléfono inteligente mediante Bluetooth.

Los investigadores utilizaron circuitos de muy baja potencia para diseñar el dispositivo, pero rápidamente descubrieron que estos circuitos tienen estrictas restricciones sobre la cantidad de voltaje que pueden soportar antes de fallar.

Recolectar demasiada energía podría hacer que el dispositivo explote.

Para evitar eso, su sistema operativo de recolección de energía en el microcontrolador ajusta o reduce automáticamente la recolección si la cantidad de energía almacenada se vuelve excesiva.

También descubrieron que la comunicación (transmitir datos recopilados por el sensor de temperatura) era, con diferencia, la operación que consumía más energía.

“Asegurar que el sensor tenga suficiente energía almacenada para transmitir datos es un desafío constante que implica un diseño cuidadoso“, dice Monagle.

En el futuro, los investigadores planean explorar medios de transmisión de datos que consuman menos energía, como por ejemplo la óptica o la acústica.

También quieren modelar y predecir de manera más rigurosa cuánta energía podría ingresar a un sistema, o cuánta energía podría necesitar un sensor para tomar mediciones, de modo que un dispositivo pueda recopilar aún más datos de manera efectiva.

“Si sólo tomas las medidas que crees que necesitas, puedes perderte algo realmente valioso.

Con más información, es posible que pueda aprender algo que no esperaba sobre las operaciones de un dispositivo.

Nuestro marco le permite equilibrar esas consideraciones”, dice Leeb.

“Este artículo está bien documentado sobre lo que debería implicar internamente un nodo sensor autoalimentado práctico para escenarios realistas.

Las pautas generales de diseño, particularmente en la cuestión del arranque en frío, son muy útiles”, dice Jinyeong Moon, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Florida, que no participó en este trabajo.

“Los ingenieros que planean diseñar un módulo de autoalimentación para un nodo de sensor inalámbrico se beneficiarán enormemente de estas pautas, al completar fácilmente listas de verificación tradicionalmente engorrosas relacionadas con el arranque en frío“.

Fuente: MIT News