Circuiti di conditioning per l’energy harvesting

Negli ultimi anni l'impiego di sensori wireless nell’ambito dell’elettronica wearable si è diffuso rapidamente, grazie soprattutto ad un deciso miglioramento sia in termini di efficienza che di dimensioni fisiche. In questo contesto, la sostituzione o la ricarica delle batterie è un serio ostacolo per un'ampia diffusione di tutta una serie di tecnologie wireless. Inoltre, mentre le dimensioni del circuito elettronico si sono ridotte grazie all'avvento della tecnologia dei circuiti integrati (IC), le batterie sono oggi spesso i dispositivi più ingombranti nei nodi sensori wireless (WSN). Spronati dalla necessità di un minore consumo di energia, soprattutto in applicazioni remote e di rilevamento, i progettisti stanno cercando di raccogliere e condizionare fonti di energia alternative di varie entità: cinetica, solare, RF, gradiente di temperatura. Eppure, ottenere il massimo da queste fonti raccolte è molto impegnativo, poiché il controllo, il rilevamento e altre attività circuitali di progettazione non sono semplici e variano per diverse applicazioni.

Introduzione

I circuiti di condizionamento svolgono un ruolo fondamentale in un sistema di raccolta di energia, attraverso vari parametri quali l'impedenza di ingresso, e nello stesso tempo funzioni circuitali come il controllo dell'alimentazione e il filtraggio. Le tecniche avanzate come la pre-polarizzazione di dispositivi piezo, influenzano attivamente il comportamento dei dispositivi di energy harvesting. Il limite di potenza di un sistema da impiegare è stato notevolmente ridotto con circuiti di condizionamento che operano a bassi livelli di potenza, comunemente definiti low power, riducendo così le perdite per aumentare l'efficienza massima del sistema di raccolta. La sfida è sempre la stessa: ottimizzare l'energia e i circuiti di condizionamento associati per far fronte ad un sistema con una corrispondenza ottimale tra profili di potenza e quelli di dinamicità di funzionamento.

Il condizionamento

Lo scopo del circuito di condizionamento è innanzitutto evitare un design di grandi dimensioni, con un sistema di raccolta che abbia la capacità di fornire una corrispondenza tra i profili temporali della richiesta di potenza associati al carico. Oltre alla sorgente di eccitazione, l'impedenza è un fattore di condizionamento che determina le modlaità di funzionamento del sistema. Mentre in generale la sorgente non è controllabile, l'impedenza di ingresso è il meccanismo di controllo principale. L'impedenza di ingresso del sistema di condizionamento può essere formata da una parte reale e una immaginaria (resistenza e parte reattiva), ed è sintetizzata dall'azione di componenti attivi e passivi del convertitore, di solito associati nei circuiti di regolazione. Considerando che il sistema di raccolta può essere modellato da una combinazione di elementi circuitali lineari e non, la potenza massima trasmissibile è quando il carico è il complesso coniugato dell'impedenza di uscita. Inoltre, il consumo di energia associata alle impedenze di carico può diventare significativo, soprattutto a bassi livelli di potenza causando una situazione in cui un carico differente può produrre più o meno potenza.

Piezoelectric bias

I sistemi di raccolta di energia che utilizzano trasduzione piezoelettrica hanno un’impedenza di uscita altamente reattiva, e quindi il carico ideale coniugato complesso ha un fattore di potenza molto basso. Poiché un tipico piezo produce pochi milliwatt, i progettisti di sistemi IC si sono rivolti a una serie di approcci non lineari per migliorare la potenza senza grandi spese generali. Un approccio tipico è illustrato nella figura 1 ed è chiamato  synchronous switched harvesting on inductor (SSHI), che comporta il capovolgimento della polarità della carica sul materiale piezoelettrico due volte per ciclo quando la parte meccanica raggiunge il suo massimo spostamento mediante una induttanza fisica.

Figura 1: Synchronous switched harvesting on inductor (SSHI)

Figura 1: Synchronous switched harvesting on inductor (SSHI)

 

Figura 2: Single-supply pre-biasing

Un altro approccio di polarizzazione è mostrato in figura 2. Gli interruttori S1 e S4, così come S2 e S3, operano a coppie. Quando il materiale piezoelettrico raggiunge la massima deflessione, una delle coppie di interruttori viene attivata, scaricando l'energia dalla capacitanza piezoelettrica nel condensatore attraverso l’induttore serie, il tutto molto rapidamente rispetto alla frequenza di eccitazione meccanica del sistema. Non appena la fase di scarico è completata, la tensione sul condensatore piezoelettrico raggiunge zero e viene attivata una certa carica sul condensatore. Così, aumenta la forza con cui il trasduttore è in grado di opporsi al movimento relativo tra la massa e la base, aumentando lo smorzamento elettrico. Il materiale piezoelettrico viene quindi spostato nella sua estrema posizione, aumentando a sua volta la tensione. Il processo viene ripetuto con la generazione della tensione di uscita. Il condensatore piezoelettrico rimane in circuito aperto durante l'intero movimento del fascio, mentre in SSHI l'elemento piezoelettrico viene cortocircuitato dalla commutazione del diodo raddrizzatore. Per estrarre energia da un trasduttore, la forza ottenuta che si oppone al moto deve essere in fase con la velocità del trasduttore.  Il processo di regolazione della tensione di uscita è quello di mantenere costante il valore in funzione delle variazioni di carico. I dispositivi di commutazione sono convertitori di potenza che permettono di ottenere una potenza di uscita senza perdite, e quindi regolare l'uscita commutata, di solito attraverso un ciclo di feedback automatico. I sistemi di controllo di tensione richiedono una relazione monotona che si trova tra la [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 9 febbraio 2017

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