Una delle considerazioni di progettazione più importanti nello sviluppo di qualsiasi prodotto di automazione degli edifici è l’efficienza energetica. Magari sfruttando alcuni nuovi sensori wireless in grado di funzionare per più di cinque anni con una singola batteria a bottone; altri possono durare fino a 10 anni o più. In questo articolo vengono illustrati i progressi nell’automazione degli edifici finalizzati ad ottenere la massima efficienza energetica.
Iniziamo osservando come i circuiti integrati Nanopower stanno incrementando le funzionalità e allo stesso tempo stanno riducendo il consumo energetico; i recenti progressi hanno reso realtà i dispositivi a bassa potenza con lunga autonomia. L’assorbimento medio di corrente di un dispositivo Nanopower è misurabile in nanoampere (nA), ovvero miliardesimi di ampere. Una batteria a bottone CR2032 standard (0,23 Ah) utilizzata in un sensore remoto wireless per edifici intelligenti può fornire in maniera continuativa circa 2.100 nA (o 2,1 µA) per 10 anni.
I componenti Nanopower introdotti nel mercato consumer negli ultimi due anni richiedono meno della metà della corrente dei loro predecessori.
I ridotti consumi consentono di ridurre lo spazio occupato dalle batterie e dai circuiti di alimentazione, a tutto vantaggio delle dimensioni del prodotto finale. Questi progressi rendono anche più facile e sicura la ristrutturazione di edifici residenziali, commerciali e industriali, che possono sfruttare sensori e dispositivi intelligenti. Poiché questi dispositivi possono funzionare per diversi anni con una piccola batteria, è possibile evitare anche il cablaggio elettrico e non è necessario pianificare la manutenzione ordinaria per la sostituzione periodica della batteria.
La rapida crescita delle applicazioni legate all’IoT (Internet of Things) nell’ambito dell’automazione degli edifici evidenzia l’enorme potenziale disponibile per migliorare la sicurezza e l’efficienza con sensori integrati in grado di rilevare guasti sui singoli componenti di sistemi molto più grandi o in grado di monitorare il benessere e il livello di confort attraverso sensori radar ad onde millimetriche di semplice utilizzo.
L’efficienza energetica nell’automazione degli edifici: considerazioni generali e tendenze future
L’efficienza energetica implica particolare attenzione da parte dei progettisti che devono bilanciare non solo le caratteristiche e le aspettative di durata della batteria, ma anche il consumo medio di corrente di ciascun dispositivo utilizzato sulla scheda e come ottenere un modello di consumo accurato per il progetto. Molti ingegneri hanno messo a punto soluzioni intelligenti per implementare determinate funzionalità al fine di risparmiare quanta più energia possibile, aumentando così l’efficienza complessiva.
L’efficienza energetica non riguarda solo i dispositivi alimentati a batteria, ma anche quasi tutti i sistemi alimentati con la rete elettrica. Ad esempio, nel settore del riscaldamento, della ventilazione e del condizionamento dell’aria (HVAC), il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha stabilito normative più rigorose per le valutazioni di efficienza minima, chiamate “rapporto di efficienza energetica stagionale”. Queste normative a loro volta hanno portato a un rapido passaggio dai motori Permanent Split Capacitor (PSC), a quelli a commutazione elettronica (tipicamente BLDC), che la maggior parte dei produttori offre ora come caratteristica standard nelle apparecchiature HVAC più recenti.
La Figura 1 confronta entrambi i tipi di motori.
Sebbene i motori a commutazione elettronica siano più costosi, sono effettivamente in grado di aumentare l’efficienza energetica in modo così drastico che la tecnologia si ripaga rapidamente; secondo il DOE, questo cambiamento farà risparmiare agli americani oltre 9 miliardi di dollari in bollette elettriche domestiche fino al 2030.
Il progetto di riferimento TI’s Electronically Commutated Motor Reference Design for HVAC Blowers with Low BOM Cost è un buon punto di partenza per un progetto di motore commutato elettronicamente ad alta efficienza.
Figura 1. Confronto tra un motore Permanent Split Capacitor (PSC) e un motore a commutazione elettronica.
Osservando in particolare una delle aree di applicazione con alimentazione a batteria più diffuse nell’ambito dell’automazione degli edifici, la sicurezza degli edifici, ci sono innumerevoli esempi di questa tendenza nella progettazione di prodotti a bassissima potenza e ad elevata efficienza energetica.
Come mostrato nella Figura 2, si prevede che il mercato della sicurezza e della videosorveglianza crescerà di circa il 5% dal 2013 al 2023 (Fonte – Omdia, Industrial Semiconductor Market Tracker, 2020).
Con questa crescita, ci sarà una forte spinta per ottimizzare l’efficienza dei dispositivi di sicurezza e videosorveglianza. Negli spazi più grandi, così come negli edifici più vecchi, è molto più conveniente disporre di sensori alimentati a batteria, piuttosto che fare affidamento sull’alimentazione di rete che potrebbe essere presente o meno.
La maggiore attenzione all’efficienza energetica ha portato a un aumento della durata della batteria, consentendo ai sensori remoti negli edifici o nelle case di trasmettere dati ambientali in tempo reale per una durata molto più lunga di quella ottenibile in precedenza, e di farlo senza richiedere l’alimentazione di rete.
Figura 2. Omida, Industrial Semiconductor Market Tracker.
Dispositivi ad alta efficienza energetica per affrontare le sfide della progettazione
Nelle applicazioni di sicurezza degli edifici, i sensori ad effetto Hall possono rilevare le variazioni del campo magnetico utilizzando magneti a basso costo posizionati su una porta o una finestra. L’utilizzo di due sensori DRV5055 insieme, come nel modulo sensore di valutazione angolare DRV5055, consente il rilevamento bidimensionale della posizione.
Con questo metodo di rilevamento avanzato, a seconda del metodo di calibrazione e del numero di punti di calibrazione utilizzati, è possibile ottenere un’elevata precisione di (<1°) ma il consumo di corrente può essere superiore (~12 mA tipico); al fine di ridurre al minimo il consumo, è possibile utilizzare un interruttore a effetto Hall a bassissima potenza come metodo di rilevamento di primo passaggio per il movimento del campo magnetico.
Impiegando una configurazione come quella mostrata nella Figura 3 per rilevare l’angolo di rotazione di un braccio oscillante chiudiporta, un sensore aggiuntivo ad effetto Hall Nanopower, un DRV5032, attiva i sensori DRV5055 che richiedono più energia, consumando energia solo una volta rilevato il movimento, invece di essere sempre acceso. L’uso dell’interruttore ad effetto Hall in combinazione con un interruttore a bassissima potenza rimuove la fonte di alimentazione dai sensori DRV5055 fino a quando non sono effettivamente necessari per il rilevamento dell’angolo.
Figura 3. Diagramma a blocchi di rilevamento della posizione della porta ad alta efficienza energetica.
La Figura 4 mostra un’altra applicazione a basso consumo energetico che utilizza l’amplificatore operazionale TLV8802 da 320 nA nella catena del segnale per un sensore a infrarossi passivi. Il TLV8802 è adatto per sistemi sensibili ai costi nei dispositivi alimentati a batteria.
Le applicazioni PIR richiedono un filtraggio e un’amplificazione del segnale di uscita del sensore la cui ampiezza deve raggiungere un livello sufficiente per fornire informazioni utili. I livelli di segnale tipici all’uscita di un sensore PIR sono dell’ordine dei microvolt e vanno pertanto amplificati; la funzione di filtraggio è invece necessaria per limitare la banda di rumore del sistema prima di raggiungere l’ingresso del comparatore a finestra. La funzione di filtraggio imposta anche i limiti per le velocità minime e massime alle quali il sistema rileverà il movimento.
Figura 4. Front-end analogico con sensore PIR a bassa potenza.
Un altro modo per ottimizzare un progetto per l’efficienza energetica consiste nell’utilizzare una combinazione di un Nanotimer con un interruttore di carico per spegnere i dispositivi ad alto consumo energetico o persino il microcontrollore (MCU) che può anche essere messo in uno stato di sospensione più profondo.
La Figura 5 riporta lo schema di un semplice sensore ambientale wireless a bassa potenza per ambienti sia residenziali che commerciali.
Figura 5. Sensore ambientale wireless con nanotimer e interruttore di carico.
In questo caso, il TPL5111 viene utilizzato come segnale di attivazione o abilitazione periodico per il TPS22860, che alimenta l’HDC2080 una volta abilitato il TPS22860. Questo circuito ha anche il pin DONE collegato a un pin di input/output per uso generico dell’MCU SimpleLink per spegnere l’HDC2080 una volta completata l’elaborazione. Una volta che il Nanotimer spegne l’interruttore del carico, l’alimentazione dall’HDC2080 viene rimossa, il che si traduce in un notevole risparmio energetico. È possibile impostare il TPL5111 su un’ampia gamma di tempi, risparmiando potenzialmente ancora più energia quando la velocità di polling è impostata su un valore di ritardo elevato.
Raccolta di energia nell’automazione degli edifici
Gran parte dell’attuale ondata di innovazione abilitata dal bassissimo consumo dei nuovi dispositivi elettronici si basa sull’impiego delle batterie a bottone che, per aumentare la durata possono attingere ulteriore energia da fonti ambientali quali la luce, il movimento o le emissioni RF. La raccolta di energia può aumentare drasticamente l’efficienza energetica fornendo alimentazione aggiuntiva a un dispositivo. E se combinati con dispositivi a bassissima potenza e una progettazione ad alta efficienza energetica, è possibile aumentare la durata dei sensori degli edifici remoti di molti anni.
Un supercondensatore, utilizzato insieme o in sostituzione delle batterie a bottone nei dispositivi a bassa potenza, immagazzina l’energia raccolta per l’utilizzo da parte del dispositivo. A differenza delle batterie usa e getta, i supercondensatori si ricaricano rapidamente.
Applicazione di energy harvesting: raccogliere energia dalla maniglia della porta
Un’azione semplice come girare la maniglia di una porta può raccogliere energia aggiuntiva per una serratura smart. Se la maniglia viene utilizzata in combinazione con un motore, l’albero del motore può essere munito di un riduttore che tradurrà la lenta rotazione della maniglia della porta in una rotazione a più elevato numero di giri del motore fungendo da generatore per produrre energia, che può quindi essere rettificata e utilizzata per caricare un supercondensatore.
La Figura 6 mostra una tipica configurazione per testare questo metodo di raccolta di energia utilizzando un dinamometro e un accoppiatore per la maniglia della porta.
Figura 6. Dispositivo di test per la raccolta dell’energia dal movimento della maniglia della porta.
La Figura 7 mostra il percorso elettrico completo per convertire il movimento rotatorio di una maniglia della porta in energia immagazzinata nel supercondensatore. Il percorso di alimentazione include due interruttori di carico che inviano la corrente alla batteria quando l’energia sul supercondensatore diventa sufficientemente alta per fornire alimentazione al sistema o per fornire una fonte di energia per la ricarica della batteria.
Figura 7. Esempio di percorso elettrico per la raccolta di energia dal movimento della maniglia della porta.
L’azionamento del motore a doppio ponte H DRV8847 raccoglie l’energia dal motore. La Figura 8 illustra la potenza di uscita da questa architettura di alimentazione.
Figura 8. Utilizzo del DRV8847 per la rettifica della corrente.
Esistono molti altri prodotti di Texas Instruments che soddisfano le esigenze del settore dell’energy harvesting, come l’Energy Harvesting for Wireless Switch Power Reference Design, che sfrutta un interruttore di energy harvesting a frequenza zero per generare energia premendo un pulsante. Un altro buon esempio è l’Energy Harvesting Ambient Light and Environment Sensor Node for Sub-1GHz Networks Reference Design, che ha due celle solari integrate in grado di fornire energia aggiuntiva al sistema attraverso la raccolta fotovoltaica. La figura 9 mostra la potenza di questa maniglia della porta a raccolta di energia e la rettifica attiva della potenza del motore.
Figura 9. Tensioni di uscita di un sistema che raccoglie energia dal movimento della maniglia.
Un esempio di progetto ad alta efficienza energetica
Uno dei dispositivi più importanti per la domotica delle case è la serratura intelligente, in grado di accettare comandi in modalità wireless da utenti autorizzati, tracciare i passaggi e azionare la serratura senza alcun intervento manuale.
Tuttavia le serrature smart non possono utilizzare i meccanismi standard di blocco e sblocco se la durata e la sostituzione della batteria interferiscono troppo spesso con il funzionamento del sistema. L’utilizzo di circuiti ad alta efficienza energetica e la raccolta di energia possono aiutare ad allungare di anni la vita delle serrature elettroniche intelligenti.
Prendiamo in esame ora una serratura intelligente avanzata in cui è possibile verificare che il chiavistello sia nello stipite della porta e la porta sia completamente chiusa. Ruotando il chiavistello per aprire la porta dall’interno, si genera una piccola quantità di energia che può essere raccolta per la verifica della posizione del catenaccio in un secondo momento quando la porta è bloccata a distanza. Ovviamente questo è solo uno dei tanti metodi possibili.
La Figura 10 di seguito illustra il diagramma a blocchi per questo particolare metodo. Sul lato stipite della porta è presente un semplice inserto che può essere montato dietro la piastra catenaccio. All’interno di questi contatti è presente un valore di resistenza univoco che fornisce una caduta di tensione attraverso i contatti. È possibile utilizzare un amplificatore operazionale per confrontare questa tensione o, per una maggiore precisione e mitigazione delle manomissioni, utilizzare un convertitore analogico-digitale a bassissima potenza per misurare la tensione di uscita. Una volta che l’MCU ha verificato il valore di uscita, rimuove l’alimentazione al carico tramite l’interruttore del carico per ridurre al minimo il consumo (≤2 nA in modalità di spegnimento). A causa della natura passiva delle periferiche, questo design è molto efficiente e fornisce un’ulteriore funzione di sicurezza contro le intrusioni e le manomissioni per la serratura intelligente a un costo aggiuntivo molto basso.
Figura 10. Esempio di diagramma a blocchi di un sensore di posizione del catenaccio di una serratura con raccolta di energia.
La Figura 11 fornisce una panoramica più dettagliata dell’applicazione di rilevamento della posizione del catenaccio.
Figura 11. Rilevamento della posizione del catenaccio.
Conclusione
Affinché una nuova tecnologia possa sostituire la tecnologia dominante, in genere deve essere significativamente migliore e non creare oneri importanti. I progressi dell’elettronica a bassissima potenza rispondono a queste sfide, migliorando la praticità e fornendo una tecnologia sofisticata con manutenzione praticamente nulla.
Con dati affidabili e una potenza di calcolo affidabile per anni, la tecnologia a bassissimo consumo sta rimodellando le aspettative su dove, come e per quanto tempo possono essere implementati i dispositivi intelligenti. Gli effetti a catena di queste innovazioni continueranno a lungo, dopo che la prima ondata di batterie sarà finalmente sostituita.
Brian Dempsey è ingegnere progettista di sistemi presso Texas Instruments.
