Un sistema di energy harvesting che elimina la necessità di batterie in sensori wireless

Recenti progressi nello sviluppo di microcontroller a potenza ultrabassa hanno permesso di realizzare dispositivi che offrono livelli senza precedenti di integrazione rispetto alla potenza necessaria per il funzionamento. Si tratta di sistemi su chip che impiegano schemi avanzati di riduzione della potenza, ad esempio cessando di fornirla per funzioni inattive. Infatti, per il funzionamento di questi dispositivi occorre una potenza così ridotta che molti sensori sono ormai wireless poiché possono essere alimentati agevolmente da batterie. Sfortunatamente, le batterie devono essere sostituite periodicamente, comportando pertanto un programma di manutenzione costoso e scomodo (qui un link per approfondire). Una soluzione più efficace per erogare potenza a sensori wireless può consistere nell’accumulare nell’ambiente locale dei sensori stessi energia meccanica, termica o elettromagnetica disponibile nell’ambiente.

Introduzione

Il circuito integrato LTC3588-1 illustrato nella Figura 1 offre una soluzione completa per l’accumulazione di energia, ottimizzata per generatori a elevata impedenza, come trasduttori piezoelettrici. È dotato di un raddrizzatore a ponte a onda intera a bassa perdita e di un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, che trasferisce energia da un dispositivo di immagazzinamento all’ingresso a un’uscita a tensione regolata in grado di alimentare carichi sino a 100mA. È disponibile in un package DFN di 3mm × 3mm o MSE a 10 conduttori.

Figura 1. Soluzione completa per l’accumulazione di energia, ottimizzata per generatori a elevata impedenza, come trasduttori piezoelettrici

Figura 1: soluzione completa per l’accumulazione di energia, ottimizzata per generatori a elevata impedenza, come trasduttori piezoelettrici

Fonti di energia ambientale

Includono la luce solare, differenziali di temperatura, travi vibranti, segnali RF trasmessi o qualsiasi altra sorgente in grado di produrre cariche elettriche attraverso un trasduttore. Ad esempio:

  • Da anni si impiegano pannelli solari compatti per alimentare dispositivi elettronici palmari e che sono in grado di produrre centinaia di mW/ cm2 quando esposti alla luce solare diretta e centinaia di µW/cm2 se esposti alla luce solare indiretta.
  • I dispositivi basati sull’effetto Seebeck convertono energia termica in energia elettrica quando è presente un gradiente di temperatura. Le sorgenti di energia termica vanno dal corpo umano, che può produrre decine di µW/ cm2, al sistema di scarico dei fumi di una caldaia, dove le temperature superficiali possono produrre decine di mW/cm2.
  • I dispositivi piezoelettrici producono energia mediante compressione o deflessione di un elemento elastico e possono produrre centinaia di µW/ cm2 a seconda delle dimensioni e costruzione.
  • Un sistema per l’accumulazione di energia a radiofrequenza la raccoglie in un’antenna e può produrre centinaia di pW/cm2.

Per progettare efficacemente un sistema di sensori wireless completamente autonomo sono necessari microcontroller a basso consumo di potenza e trasduttori che consumino una quantità minima di energia elettrica sfruttando ambienti a bassa energia. Poiché gli uni e gli altri sono ormai disponibili, l’elemento mancante è il dispositivo di conversione della potenza ad alta efficienza che sia in grado di convertire l’uscita del trasduttore in una tensione utilizzabile. La Figura 2 mostra un sistema di alimentazione basato sull’energy harvesting che consiste di un trasduttore o una fonte di energia, un elemento di immagazzinamento dell’energia e di un circuito per convertire l’energia accumulata in una tensione regolata utile. Potrebbe essere necessaria anche una rete di raddrizzamento della tensione, inserita fra il trasduttore di energia e l’elemento di immagazzinamento dell’energia, per evitare che l’energia sia ridiretta nel trasduttore o per raddrizzare un segnale AC nel caso di un dispositivo piezoelettrico.

Figura 2. Componenti di un sistema per l’energy harvesting

Figura 2: componenti di un sistema per l’energy harvesting

Esempi di applicazioni

Il circuito integrato LTC3588-1 richiede che la tensione di uscita del trasduttore sia maggiore della soglia di blocco contro la sottotensione per la specifica tensione di uscita impostata ai pin d’ingresso D0 e D1. Ai fini del massimo trasferimento di energia, il trasduttore deve avere una tensione a circuito aperto uguale al doppio della tensione operativa d’ingresso e una corrente di cortocircuito uguale al doppio della corrente d’ingresso necessaria. Questi requisiti devono essere soddisfatti al livello minimo di eccitazione della sorgente per ottenere una potenza di uscita continua.

Applicazione di un trasduttore piezoelettrico

La Figura 3 mostra un sistema piezoelettrico che, quando inserito in un flusso d’aria, produce 100µW di potenza a 3,3V. La deflessione dell’elemento piezoelettrico è uguale a 0,5cm a una frequenza di 50Hz.

Applicazione di un trasduttore Seebeck

La Figura 4 mostra un sistema per l’energy harvesting che impiega un trasduttore Seebeck di Tellurex Corporation. Un differenziale termico produce una tensione di uscita in grado di alimentare un carico di uscita di 300mW. Collegando il trasduttore all’ingresso PZ1 si impedisce che la corrente inversa ritorni nel dispositivo Seebeck quando si rimuove la fonte di energia termica. Il resistore da 100Ω assicura la limitazione di corrente necessaria per proteggere il ponte d’ingresso dell’integrato LTC3588-1.

Figura 3. Sistema piezoelettrico per l’energy harvesting

Figura 3: sistema piezoelettrico per l’energy harvesting

 

Figura 4. Sistema per l’energy harvesting basato sull’effetto Seebeck

Figura 4: sistema per l’energy harvesting basato sull’effetto Seebeck

 

Figura 5. Sistema per l’energy harvesting basato sul campo elettrico

Figura 5: sistema per l’energy harvesting basato sul campo elettrico

Accumulazione di energia generata dal campo elettromagnetico prodotto da normali lampade a fluorescenza

Questa applicazione richiede di considerare il problema da un’ottica nuova. La Figura 5 mostra un sistema che accumula l’energia generata da campi elettrici prodotti da tubi a fluorescenza ad alta tensione.  Due pannelli di rame da 30,5cm × 61cm sono collocati a 15 cm di distanza da un apparecchio di illuminazione a fluorescenza di 61cm × 122cm. I pannelli di rame accumulano per effetto capacitivo 200µW dai campi elettrici prodotti e LTC3588-1 converte questa potenza in un’uscita regolata.

Conclusioni

Il circuito integrato LTC3588-1 consente a sensori remoti di funzionare senza batteria accumulando l’energia ambiente locale. È dotato di tutte le funzioni cruciali di gestione dell’energia: un raddrizzatore a ponte a bassa perdita,  un regolatore buck ad alta efficienza, un rivelatore con blocco programmabile contro la sottotensione (UVLO) a bassa corrente di polarizzazione che inserisce e disinserisce il convertitore buck, e un segnale di stato PGOOD per riattivare il microcontroller quando è disponibile potenza. Il circuito integrato LTC3588-1 alimenta carichi fino a 100mA con appena cinque componenti esterni.

 

A cura di Jim Drew, Linear Technology

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 26 gennaio 2017

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