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sensori
approfondimenti
Automazione e Strumentazione n Settembre 2015
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nenti che consumano potenza e l’architettura di
potenza.
I dispositivi SoC (System-on-Chip) con micro-
controllori a potenza ultra-bassa offrono
diverse modalità operative a basso consumo
per ridurre i consumi di corrente. Un esempio
di SoC diffuso su larga scala è il CC430F5147
di TI, che prolunga l’autonomia dell’applica-
zione grazie alla modalità standby nella quale
il dispositivo consuma circa 2 µA quando è col-
legato direttamente alla batteria. La ►figura 1
mostra la corrente di alimentazione di questo
dispositivo in una modalità a basso consumo
(LPM3). Il consumo di corrente dipende dalla
tensione di alimentazione (traccia verde).
Il consumo di corrente viene ulteriormente
ridotto quando i SoC vengono abbinati a un
convertitore buck a potenza ultra-bassa per
diminuire la tensione di alimentazione. Un
esempio di convertitore buck step-down è il
TPS62740, che consuma solo 360 nA di cor-
rente quiescente.
La traccia blu mostra la corrente assorbita
dall’applicazione dopo che la tensione di ali-
mentazione è stata ridotta a 2,1 V. Maggiore
è la tensione della batteria, maggiore sarà
il risparmio di potenza grazie alla conver-
sione step-down efficiente. Alla ten-
sione terminale tipica della batteria
LiSOCl2, pari a 3,6 V, il consumo
complessivo di corrente diminui-
sce del 30% rispetto al collegamento
diretto della batteria.
Picco di potenza per la trasmissione
wireless
Oltre all’aspetto IQ basso, il sensore deve
comunicare i dati raccolti ed elaborati a una
stazione base. Può trattarsi, ad esempio, di un
concentratore di dati locale, soluzione comune
per i sensori che rilevano i consumi di gas in
un condominio. Oltre a un bus di misurazione
wireless (wireless M-Bus), si può utilizzare
anche la comune rete cellulare (GSM), come
nel caso dei sensori installati sui ponti delle
autostrade.
Una modalità di funzionamento tipica prevede
la raccolta e l’elaborazione dei dati lungo tutto
l’arco della giornata e diverse trasmissioni
giornaliere dei dati raccolti. In termini di con-
sumi, questo significa che per la maggior parte
del tempo serve un consumo medio di corrente
basso, nell’ordine dei microampere, con picchi
occasionali di corrente per alcuni millisecondi.
La quantità di energia necessaria per la tra-
smissione dei dati dipende dalla gamma di
frequenza e dal protocollo di radiofrequenza.
Gli standard più diffusi sono Wireless M-Bus
e GSM.
La ►tabella mostra un confronto fra i tre stan-
dard più diffusi. Ogni standard presenta una
condizione tipica per la potenza dell’amplifi-
catore radio e la corrente richiesta per la durata
della trasmissione.
In alcuni casi l’amplificatore radio richiede
correnti fino a 2,5 A. Questa quantità di cor-
rente non può essere fornita dalle tipologie di
batterie descritte. È opportuno evitare
anche correnti superiori a 5 mA per
non ridurre l’autonomia della batteria a
bobina LiSOCl2.
Buffer di potenza
Per consentire il caricamento a impulsi
come descritto, bisogna considerare
nuovi metodi di gestione della potenza.
Poiché la batteria non può fornire la
corrente necessaria, l’energia richie-
sta deve essere immagazzinata quando
la radio è disattivata per poter essere
utilizzata quando la radio è attiva. A
questo scopo è necessario progettare
un nuovo sistema per immagazzinare
l’energia e disaccoppiare i picchi di carico
dalla batteria. Una soluzione eccellente per
immagazzinare energia sono i condensatori
di stoccaggio, grazie alla loro elevata densità
energetica e grande capacitanza.
Quando si utilizza un alimentatore a commu-
A fil di rete
Figura 1 - Abbinando un SoC microcontrollore con un convertitore
buck-boost si riducono i consumi del 30%
Standard wireless Condizioni amplificatore Esempi di corrente Durata
wM-Bus, 868 MHz 27 dBm POUT , 3,3V 100 mA 40 ms
wM-Bus, 169 MHz 30 dBm POUT , 3,6V 300 mA 100 ms
GSM 2G High power, 3,7V 2000 mA 577 µs per slot
Tabella - Confronto fra le
proprietà di potenza di
diverse tipologie di wireless