Considerazioni progettuali pratiche sul recupero dell’energia piezoelettrica e termica

Giovedì 09 Febbraio 2012 12:33

Il settore del recupero energetico è in rapida evoluzione e sul mercato arrivano nuovi dispositivi in grado di trasformare poche decine di microwatt di energia recuperata in tensioni utilizzabili. Questi dispositivi si attivano con appena 10mg di vibrazioni con un trasduttore magnetico regolato o +/-20mV di una fonte a bassa impedenza, ad esempio un generatore elettrico termico con un differenziale di temperatura di un grado Celsius.

di Brian Shaffer, Applications Manager, Boston Design Center di Linear Technology

Tra le numerose applicazioni che potrebbero beneficiare del recupero di energia figurano il monitoraggio strutturale degli aerei, l'asset tracking, l'asset monitoring, il controllo della temperatura e dell'illuminazione negli edifici, l'automazione degli impianti, il monitoraggio dei processi industriali, il pagamento automatico dei pedaggi, i sistemi di controllo della pressione degli pneumatici, il controllo perimetrale e, in generale, qualsiasi applicazione remota con funzioni di monitoraggio, ma difficile da manutenere. Con durate ventennali garantite da produttori come Tadiran, la batteria ha un ciclo di vita previsto come quello dell'elettronica del sistema. Aggiungendo il recupero energetico a un sensore esistente alimentato a batteria, quest'ultima potrebbe avere la stessa vita utile del prodotto, il che renderebbe la batteria più l'accumulatore di energia facili e convenienti quanto un sistema dotato di cavi di alimentazione tradizionali.

Fig. 1 - Nodo sensore wireless alimentato a batteria

La figura 1 mostra l'architettura di un tipico nodo sensore wireless (WSN) alimentato a batteria. La batteria va sostituita secondo intervalli di manutenzione standard per garantire un corretto reporting all'host. Il costo della batteria nuova è insignificante rispetto al costo del tecnico che deve recarsi nel luogo in cui si trova il nodo sensore wireless. Le applicazioni sopra citate possono comportare l'uso di molti WSN che potrebbero richiedere un intervento a tempo pieno del tecnico per garantire una manutenzione regolare di tutti i nodi sensori. Il sistema WSN ideale è autonomo e non necessita di interventi di routine, con conseguente riduzione dei costi di gestione.

Fig. 2 - Architetture di sistemi di recupero di energia da fonti piezoelettriche

a) accumulo di energia sull'uscita

b) accumulo di energia sull'ingresso

Quando si recupera energia da una fonte piezoelettrica, l'architetto del sistema può scegliere di accumulare l'energia recuperata sull'uscita o sull'ingresso della soluzione di gestione dell'alimentazione (figure 2a e 2b). Raccogliendo energia sull'uscita del sistema si ottengono i seguenti vantaggi:

- l'accumulo di energia a bassa tensione consente di utilizzare componenti economici facilmente reperibili,

- si possono usare super condensatori o batterie come accumulatori grazie alla bassa tensione,

- l'accumulatore può immagazzinare energia da vibrazioni inferiori perché l'uscita deve generare solo una bassa tensione e

- il caricatore può utilizzare l'adattamento di impedenza modificando la corrente di carica per ottimizzare l'energia proveniente dalla fonte piezoelettrica. Lo svantaggio principale dell'accumulo di energia sull'uscita è che la bassa tensione comporta una grande capacità e le correnti di dispersione possono diventare proibitive se non si selezionano condensatori adatti. Per quanto riguarda l'accumulo di energia sull'ingresso, più condensatori ceramici in parallelo garantiscono un maggiore accumulo con una corrente di dispersione minima. Raccogliendo energia sull'ingresso del sistema di gestione dell'alimentazione si ottengono i seguenti vantaggi:

- accumulo di energia ad alta tensione che richiede una capacità inferiore per una determinata quantità di energia a causa della dipendenza del quadrato della tensione dall'accumulo di energia in un condensatore (E = ½ * C * V2),

- i condensatori ceramici ad alta tensione hanno correnti di dispersione molto basse e

- l'accumulo di energia sull'ingresso può essere combinato con super condensatori e/o batterie sull'uscita per estendere al massimo la durata.

Lo svantaggio derivante dall'accumulo di energia sull'ingresso è che la fonte ha bisogno di più energia da vibrazioni per raggiungere la maggiore tensione in ingresso desiderata e non esiste uno stadio del caricatore da controllare per effettuare l'adattamento di impedenza che ottimizza l'energia proveniente dalla fonte.

Fonti di vibrazioni per il recupero di energia

In genere le fonti di vibrazioni hanno una frequenza e un'ampiezza variabili. Ma essendo molte fonti di vibrazioni alimentate con tensione di linea, le normali frequenze di vibrazione negli Stati Uniti sono 60Hz e 120Hz. Nella macchine grandi dominano le risonanze meccaniche e le frequenze tendono a essere inferiori, ad esempio tra 13Hz e 70Hz.

Normalmente le vibrazioni nelle macchine e nelle auto sono ridotte al minimo per garantire longevità e comfort. Quindi la possibilità di far funzionare un WSN con vibrazioni minime e, in alcuni casi, molte frequenze diverse può essere l'aspetto caratterizzante delle soluzioni concorrenti.

Specifica di un dispositivo piezoelettrico per un nodo sensore wireless

Specificare un dispositivo piezoelettrico per un'applicazione con nodo sensore wireless comporta la misurazione precisa delle frequenze di risonanza della fonte e dell'ampiezza dell'accelerazione a tali frequenze. Dispositivi piezoelettrici tipici come i prodotti della Mide Volture hanno una larghezza di banda di 3 Hertz al 50% di potenza. In altre parole, se la frequenza regolata del dispositivo si discosta di oltre 1,5 Hz in una delle due direzioni, l'alimentazione in uscita del dispositivo sarà pari a metà della potenza del trasduttore rispetto alla potenza alla risonanza di picco. Per questo motivo la maggior parte dei progetti di recupero energetico per il settore delle vibrazioni ha bisogno di un progetto personalizzato per il dispositivo piezoelettrico, regolato e ottimizzato per la fonte e il circuito di gestione dell'alimentazione. La maggior parte dei produttori di dispositivi piezoelettrici dispone di strumenti usati per misurare le caratteristiche della fonte ed è consigliabile coinvolgerli nelle prime fasi per poter capire la fonte e trovare modi per ottimizzare il dispositivo piezoelettrico.

Il progettista di un sistema WSN che pensa di utilizzare trasduttori piezoelettrici standard deve porsi una serie di domande. Di seguito alcune delle più comuni:

1. Qual è la fonte di vibrazioni?

a. Qual è la frequenza di vibrazione della fonte?

b. Qual è l'accelerazione minima, nominale e massima alla quale deve funzionare il WSN?

2. Che tensione utilizza il WSN?

3. Di quanta energia ha bisogno il WSN?

a. Configurazione iniziale della rete.

b. Misurazioni dei sensori e trasmissione standard

4. Con quale frequenza deve trasmettere il WSN (imposta la potenza media richiesta dal trasduttore)?

5. Qual è la soglia di attivazione del dispositivo di gestione dell'alimentazione? (Imposta la tensione a circuito aperto minima del dispositivo piezoelettrico alla frequenza di vibrazione della fonte e con l'accelerazione minima da 1b)

6. Quanto spazio può essere riservato al montaggio dell'elemento piezoelettrico?

7. Che altezza viene assegnata all'elemento piezoelettrico e al relativo involucro?

8. Che tipo di montaggio richiede l'applicazione?

9. Quali sono le condizioni ambientali (umidità, temperatura, ecc.)?

Requisiti energetici del nodo sensore wireless

La maggior parte dei microcontroller e dei sensori a basso consumo presenti sul mercato può funzionare direttamente da un rail a 3,3 volt. Ove servissero altri rail, sono disponibili regolatori buck a bassissimo consumo come l'LTC3388 che funziona con appena un microampere. Limitando la discussione ai soli sistemi con rail di alimentazione a 3,3V, possiamo calcolare la quantità di energia necessaria al sistema conoscendo il profilo della corrente rispetto al tempo per la registrazione e la trasmissione di ogni sensore. Per questo esempio usiamo il seguente profilo della corrente per una trasmissione singola:

Vcc = 3,3V

1mA per 12ms (avvio uP) 39,6 uJ (3,3mW)

2mA per 17ms (misurazione sensore) 112,2 uJ (6,6mW)

23mA per 1ms (trasmissione wireless) 75,9 uJ (75,9mW)

TOTALE: 227,7 uJ

Una volta creata la rete, questi 227uJ di energia servono per ogni trasmissione. In base al protocollo di rete in uso, la configurazione della rete iniziale può assorbire 2-3 volte questa quantità di energia perché occorrono diverse trasmissioni per definire correttamente i nodi disponibili nel sistema. L'altra specifica di cui tenere conto è l'intervallo di trasmissione. In questo esempio l'intervallo di trasmissione è una volta al minuto. La potenza media richiesta dal trasduttore è quindi pari a 3,8uW (227,7uJ/60s). Data questa quantità di energia, la fase successiva consiste nel valutare i trasduttori piezoelettrici. Un grafico utile che il produttore dell'elemento piezoelettrico deve fornire è quello relativo alla tensione a circuito aperto vs il livello g di picco per una data massa in punta e frequenza di risonanza. Esaminando i dati della tensione a circuito aperto e conoscendo la tensione di avvio per il circuito di gestione dell'alimentazione, il progettista del sistema può stabilire se l'elemento piezoelettrico attiva il nodo sensore wireless. Prendiamo, ad esempio, il trasduttore piezoelettrico Mide V21BL e l'alimentatore per il recupero dell'energia piezoelettrica LTC3588-1.

La figura 3 illustra i dati di laboratorio della tensione a circuito aperto vs il livello g di picco con una massa in punta di 0,22 grammi e una frequenza di risonanza di 120 Hertz per il trasduttore piezoelettrico Mide V21BL.

Figura 3 - Serie Mide V21BL, tensione a circuito aperto vs livello g di picco

La figura 4 mostra un circuito di prova con carico a impulsi che utilizza l'LTC3588-1 dove tutta l'energia immagazzinata nel condensatore in ingresso, CSTORAGE, tra le tensioni VIN_UVLO_RISING e VIN_UVLO_FALLING, viene trasferita verso l'uscita e dissipata nel LED. In un WSN l'energia accumulata verrebbe usata come descritto in precedenza per alimentare il microprocessore, il sensore e il trasmettitore.

Figura 4 - Circuito di prova dell'LTC3588-1 usato per valutare

l'alimentazione proveniente da un trasduttore piezoelettrico

L'LTC3588-1 ha due impostazioni UVLO per le tensioni in ingresso crescenti e tre per le tensioni in ingresso decrescenti, in base al setpoint della tensione in uscita. Per l'uscita a 3,3 volt la soglia UVLO della tensione crescente è di 5,05 volt, mentre la soglia UVLO della tensione decrescente è di 3,6 volt. Il circuito della figura 5 serve a determinare l'alimentazione disponibile da un elemento piezoelettrico per l'LTC3588-1. Applicando al dispositivo piezoelettrico 0,73 g di picco a una frequenza di 120Hz, sono bastati 18,5 secondi per caricare il condensatore in ingresso da 36uF dalla soglia UVLO decrescente alla soglia UVLO crescente. Quindi l'energia, E, accumulata nel condensatore in ingresso e l'alimentazione media dal dispositivo piezoelettrico può essere così calcolata:

Energia = ½*Cstorage*(VUVLO_rising2 – VUVLO_falling2)

= ½*36uF*(5.052 – 3.62)

= 226uJ

Potenza media = 226uJ / 18.5s

= 12.2uW

L'energia accumulata nel condensatore in ingresso (226uJ) di questo circuito di prova è quasi uguale all'energia necessaria per il modello di nodo sensore wireless sopra descritto che necessita di 227,7uJ. La potenzia media dal trasduttore piezoelettrico a 120Hz con 0,73 g è di 12,2uW. I requisiti energetici dell'applicazione sulla base di un intervallo di trasmissione di 60 secondi erano di appena 3,8uW. Questa analisi ha escluso gli effetti della corrente di riposo dell'applicazione che, se non viene ridotta al minimo, aumenta notevolmente il tempo di ricarica e riduce la velocità di trasmissione. Mantenendo la corrente di riposo a un livello molto basso, questo elemento piezoelettrico potrebbe trasmettere con una frequenza quasi 3 volte maggiore rispetto ai 60 secondi previsti, cioè una volta ogni 20 secondi.

Nel selezionare il condensatore in uscita si presuppone che l'applicazione possa passare da 3,3 volt a 3,0 volt, quindi l'energia necessaria deve essere accumulata in questo range limitato di tensioni. Inoltre l'energia proveniente dal condensatore di uscita deve essere adatta alla configurazione di rete iniziale che richiede un'energia tre volte maggiore rispetto a un singolo evento di trasmissione. Il condensatore di uscita minimo, Cout_min, viene così calcolato:

Cout_min = Eout *2 / (Vhigh2 – Vlow2)

= (3* 227.7 uJ) *2 / (3.32 – 3.02)

= 723uF

Per il condensatore di entrata si può scegliere tra due opzioni. Se l'applicazione prevede che il condensatore di uscita venga caricato ad ogni evento UVLO crescente, il condensatore di entrata deve accumulare abbastanza energia nell'isteresi UVLO in ingresso per caricare il condensatore di uscita e alimentare il carico. In alternativa si può caricare il condensatore di uscita mediante più eventi UVLO crescenti; in questo caso saranno sufficienti valori più bassi del condensatore di entrata. L'equazione per determinare il valore della capacità in ingresso minima in un evento UVLO è:

Cin > (Eout/Eff + 0.5*Cout*Vout_peak2) / (0.5*(5.052 – 3.62))

= ((3*227.7uJ) + 0.5*723uF*3.32) / (0.5*(5.052 – 3.62))

= 736uF

L'LTC3588-1 ha una corrente di riposo di 450nA quando VIN è inferiore alla soglia UVLO crescente e l'uscita non è regolazione, quindi la quantità massima di energia recuperata è in grado di caricare il condensatore di entrata. La prima trasmissione in uscita dura di più delle successive perché il condensatore di entrata parte da zero invece che dalla soglia UVLO decrescente. Il tempo di avvio, TSTART_UP, per il primo impulso è dato da:

TSTART-UP = 0.5*CIN*(VUVLO_RISING)2 / PAVG

= 0.5*736uF*(5.0)2 / 12.2uW

= 754.1s (12.5min)

Se questo tempo non è accettabile, bisogna pensare all'eventualità di aggiungere batterie a film sottile o di altro tipo per garantire un accumulo permanente di energia. Tra le società che forniscono batterie a film sottile figurano Infinite Power Solutions, Cymbet Corporation, Autec Power Systems e GS Nano Tech Company. In caso di inserimento di queste batterie nella soluzione, si potrebbe utilizzare il caricabatterie in derivazione/circuito di disattivazione batteria LTC4071 per proteggere le batterie a film sottile dai danni causati da una scarica eccessiva, che normalmente è la funzione dei circuiti di protezione del pacco batterie. La figura 5 mostra un tipico circuito applicativo LTC3588-1 e LTC4071 adatto per WSN.

Figura 5 - Soluzione di gestione dell'alimentazione per WSN con LTC3588-1 e LTC4071 per batterie a film sottile o batterie agli ioni di litio ricaricabili senza circuito interno per la protezione del pacco batterie.

Recupero di energia termica

Il recente LTC3109 è un convertitore step-up e power manager a tensione bassissima, appositamente progettato per semplificare la raccolta e la gestione dell'energia in eccesso derivante da fonti di tensione in ingresso bipolare molto bassa (es. generatori termoelettrici). La topologia step-up consente il funzionamento da tensioni in ingresso di appena 30mV, il che consente all'LTC3109 di recuperare energia da un generatore termoelettrico con un differenziale di temperatura di 1°C, obiettivo che un'implementazione discreta fatica a raggiungere a causa della sua elevata corrente di riposo.

Il circuito della figura 6 utilizza un piccolo trasformatore step-up per aumentare la fonte di tensione in ingresso verso l'LTC3109 che fornisce così una soluzione completa per la gestione dell'alimentazione per funzioni di rilevamento e acquisizione dati wireless. L'LTC3109 riesce a sfruttare piccole differenze di temperatura per generare energia da utilizzare al posto della potenza generata dalle batterie.

Figura 6. L'LTC3109 in un'applicazione con nodo sensore wireless alimentato da un generatore termoelettrico (cella di Peltier)

L'LTC3109 utilizza due Mosfet a canale N 'depletion mode' per formare un oscillatore step-up risonante, con un trasformatore step-up esterno e un piccolo condensatore di accoppiamento. In questo modo può incrementare tensioni in ingresso di appena +/-30mV a livelli tali da fornire diverse tensioni in uscita regolate per alimentare altri circuiti. La frequenza di oscillazione è determinata soprattutto dall'induttanza dell'avvolgimento secondario del trasformatore e dalla capacità in ingresso dell'LTC3109. La frequenza di risonanza risultante è normalmente compresa tra 10kHz e100kHz.

Per tensioni in ingresso di appena +/-30mV, si consiglia un rapporto di trasformazione primario-secondario di circa 1:100; per tensioni maggiori, invece, si può usare un rapporto inferiore per ottenere una potenza in uscita maggiore. Questi trasformatori sono componenti standard, facilmente reperibili presso qualsiasi fornitore di dispositivi magnetici.

L'LTC3109 adotta un approccio a 'livello di sistema' per risolvere un problema complesso. Può attivarsi con una fonte di bassa tensione e gestire l'energia tra diverse uscite.

La tensione c.a. prodotta sull'avvolgimento secondario del trasformatore viene incrementata e rettificata usando un condensatore con pompa di carica (dall'avvolgimento secondario al pin C1A o C1B) e i raddrizzatori interni all'LTC3109. Questo circuito di raddrizzatori alimenta corrente al pin VAUX fornendo la carica al condensatore VAUX esterno e alle altre uscite.

L'LDO a 2,2V interno può supportare un processore o altri circuiti integrati a basso consumo. L'LDO è alimentato dal valore maggiore di VAUX o VOUT, il che gli consente di attivarsi non appena VAUX raggiunge i 2,3V, mentre il condensatore di accumulo VOUT è ancora in carica. In presenza di un carico incrementale sull'uscita dell'LDO, la corrente può provenire dal condensatore principale VOUT se VAUX scende al di sotto di VOUT. L'uscita dell'LDO può fornire fino a 5mA di corrente.

La tensione in uscita principale su VOUT è caricata dalla rete VAUX ed è programmabile su uno dei quattro valori regolati mediante i pin VS1 e VS2. Le quattro tensioni in uscita fisse sono: 2,35V per supercondensatori, 3,3V per condensatori standard e circuiti RF o del sensore, 4,1V per le batterie agli ioni di litio e 5V per un maggiore accumulo di energia e un rail di sistema principale per alimentare un trasmettitore o sensori wireless, il che rende superfluo l'uso di resistenze esterne 'multi-meg-Ohm'. Pertanto l'LTC3109 non ha bisogno di rivestimenti speciali per ridurre al minimo le perdite come invece accade nei progetti discreti che richiedono resistenze di valore molto elevato.

Una seconda uscita, VOUT2, può essere attivata o disattivata dal microprocessore host mediante il pin VOUT2_EN. Quando è abilitata, VOUT2 viene collegata a Vout mediante uno switch Mosfet a canale P. Questa uscita può essere usata per alimentare circuiti esterni, ad esempio sensori o amplificatori privi della modalità sleep a basso consumo o funzioni di spegnimento.

Il condensatore Vstore può essere un valore molto elevato (migliaia di microfarad o perfino Farad) per garantire il mantenimento della tensione nei momenti in cui l'alimentazione in ingresso può andare persa. Una volta completato l'avviamento, le uscite principale, di backup e commutata sono tutte disponibili. In caso di problemi di alimentazione, il funzionamento prosegue, a prescindere dal condensatore VSTORE. L'uscita VSTORE può essere usata per caricare un condensatore grande o una batteria ricaricabile quando VOUT raggiunge la regolazione. Una volta regolata VOUT, l'uscita VSTORE può caricarsi fino alla tensione VAUX che è fissata a 5,3V. L'elemento di accumulo su VSTORE, oltre ad alimentare il sistema in mancanza della fonte in ingresso, può essere usato anche per integrare la corrente richiesta dalle uscite VOUT, VOUT2 ed LDO quando la fonte in ingresso non ha energia a sufficienza.

Un comparatore power good controlla la tensione VOUT. Quando VOUT raggiunge una carica pari al 7,5% della sua tensione regolata, l'uscita PGOOD commuta a livello logico alto. Se VOUT scende al di sotto del 9% rispetto alla sua tensione regolata, l'uscita PGOOD commuta a livello logico basso. L'uscita PGOOD è progettata per gestire un microprocessore o altri chip I/O, ma non un carico di corrente maggiore (es. un LED).

Conclusioni

Il settore del recupero energetico è in rapida crescita grazie alla disponibilità di circuiti integrati ad alte prestazioni (es. LTC3105, LTC3108, LTC3109, LTC3588, LT3652, LTC4070 e LTC4071) appositamente ideati. Questi nuovi circuiti integrati fanno sì che i progetti con tecnologia 'nano power' siano realizzabili e affidabili. Per accelerare lo sviluppo del settore del recupero di energia prodotta da dispositivi piezoelettrici e generatori termoelettrici, i fornitori di trasduttori dovranno fornire informazioni sui rispettivi prodotti che in passato non venivano richieste. I produttori di elementi piezoelettrici devono comunicare ai progettisti di sistema la tensione a circuito aperto vs l'accelerazione per diverse masse in punta e la relativa impedenza dell'elemento piezoelettrico, alle stesse condizioni di vibrazione. Questi grafici e la soglia UVLO crescente del circuito di gestione dell'alimentazione verranno usati per determinare il livello minimo di vibrazioni al quale il WSN può funzionare. I produttori di generatori termoelettrici devono comunicare ai progettisti di sistema la tensione a circuito aperto vs il differenziale di temperatura e la relativa resistenza. Inoltre i produttori di generatori termoelettrici devono fornire l'impedenza termica dei generatori e i modelli che consentono agli utenti di calcolare l'effettivo differenziale di temperatura di un sistema dotato di dissipatori di calore su entrambi i lati del generatore termoelettrico e con dissipatori di calore in temperature ambiente diverse, con/senza ventilazione. Le applicazioni di recupero energetico sono potenzialmente ovunque e l'estensione della durata delle batterie per tutto il ciclo di vita dei prodotti è probabilmente il primo vero vantaggio offerto da questa nuova tecnologia. In alcune applicazioni le batterie possono essere eliminate del tutto, con grande vantaggio per l'ambiente e l'utente finale.