Il convertitore a tensione bassissima agevola il recupero di energia da fonti termoelettriche

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Alimentare un nodo di sensori wireless con energia ambiente o “gratuita” è allettante perché consente di sostituire o eliminare batterie e fili. È sicuramente un vantaggio nei casi in cui la sostituzione o la manutenzione della batteria diventa un’operazione scomoda, costosa o pericolosa.

Anche la totale mancanza di fili facilita l’ampliamento su larga scala dei sistemi di monitoraggio e controllo. I sistemi di sensori wireless a recupero energetico semplificano l’installazione e la manutenzione in diversi settori, tra cui automazione degli edifici, misurazione wireless/automatica, manutenzione predittiva e molte altre applicazioni industriali, militari, automotive e consumer.

I vantaggi del recupero energetico sono evidenti, ma un sistema efficace richiede un buon piano di gestione dell’alimentazione per convertire livelli minimi di energia libera in una forma utilizzabile dal sistema di sensori wireless.

È tutta questione di duty cycle
Molti sistemi di sensori wireless hanno consumi medi molto bassi, quindi sono perfetti per le tecniche di recupero energetico. Molti nodi di sensori vengono utilizzati per monitorare quantità fisiche che variano lentamente, pertanto le misurazioni possono essere rilevate e trasmesse raramente, il che comporta un duty cycle di funzionamento basso e, di conseguenza, un consumo energetico medio contenuto.

Ad esempio, se un sistema di sensori consuma 3,3V a 30mA (100mW) mentre è in funzione, ma rimane attivo solo 10ms ogni secondo, la potenza media necessaria è solo di 1mW, ammesso che la corrente del sistema di sensori sia ridotta a microampere durante il tempo di inattività tra un burst di trasmissione e l’altro. Se lo stesso sensore wireless campiona e trasmette solo una volta al minuto invece che una volta al secondo, la potenza media precipita al di sotto dei 20µW.

Questa differenza è molto importante perché la maggior parte delle forme di recupero energetico offre pochissima potenza nello stato stazionario, di solito non più di qualche milliwatt e, in alcuni casi, solo microwatt. Minore è la potenza media richiesta, maggiori sono le probabilità che possa essere alimentata con energia recuperata.

Fonti di recupero energetico
Le fonti di energia recuperabile più comuni sono la vibrazione (o il movimento), la luce e il calore. I trasduttori per tutte queste fonti energetiche hanno tre caratteristiche in comune:
1. l’energia elettrica fornita non è regolata e non si presta ad essere utilizzata direttamente per alimentare circuiti elettronici,
2. non forniscono una fonte di energia continua e ininterrotta,
3. in genere producono una potenza in uscita media molto bassa, di solito compresa tra 10µW e 10mW.

Queste caratteristiche presuppongono una gestione dell’alimentazione oculata, se la fonte è destinata ad alimentare sensori wireless o altri dispositivi elettronici.

Gestione dell’alimentazione: l’anello mancante del recupero energetico
Un tipico sistema di sensori wireless alimentato con energia recuperata può essere suddiviso in cinque blocchi fondamentali (Fig. 1). Da qualche tempo sono tutti normalmente disponibili, tranne quello della gestione dell’alimentazione. Ad esempio, trovano ampia diffusione microprocessori che funzionano con microwatt di potenza e piccoli trasmettitori RF economici che hanno un consumo altrettanto basso. Si trovano ovunque anche sensori analogici e digitali a basso consumo.

Fig. 1 – Configurazione di un tipico sistema di sensori wireless

L’anello che mancava per completare questa catena del sistema di recupero energetico era il blocco convertitore di corrente/gestione dell’alimentazione in grado di funzionare con una o più fonti comuni di energia libera. La soluzione di gestione dell’alimentazione ideale deve essere piccola, facile da applicare e offrire buone prestazioni, pur operando da tensioni eccezionalmente alte o basse, prodotte da fonti di recupero energetico comuni, fornendo preferibilmente un buon adattamento del carico all’impedenza della sorgente ai fini di un trasferimento ottimale dell’energia. Lo stesso dispositivo di gestione dell’alimentazione deve consumare pochissima corrente per gestire l’energia accumulata e produrre tensioni in uscita regolate con un numero minimo di componenti discreti.

Alcune applicazioni (es. sensori HVAC wireless o ad energia geotermica) pongono un’altra grande sfida al convertitore per le applicazioni di recupero energetico. Queste applicazioni hanno bisogno che il sistema di gestione dell’alimentazione sia in grado di funzionare non solo da una tensione in ingresso bassissima, ma anche da una delle due polarità, perché la polarità di ∆T nel TEG (Thermo-Electric Generator) varia. Si tratta di un problema particolarmente difficile e, con tensioni nell’ordine delle decine o delle centinaia di millivolt, i raddrizzatori con ponte a diodi non sono un’alternativa.

L’LTC3109, disponibile con package QFN-20 da 4mm × 4mm × 0,75mm o package SSOP-20, risolve il problema del recupero energetico per fonti di tensione in ingresso ultrabasse di entrambe le polarità. Questo dispositivo offre una soluzione per la gestione dell’alimentazione monolitica, altamente integrata, semplice e compatta, in grado di operare con tensioni in ingresso di appena ±30mV. Questa capacità gli consente di alimentare sensori wireless da un generatore termoelettrico (TEG), recuperando energia da differenziali di temperatura (∆T) di appena 2°C. Usando due piccoli (6mm × 6mm) trasformatori step-up standard e alcuni condensatori economici, fornisce le tensioni in uscita regolate necessarie ad alimentare l’elettronica dei sensori wireless attualmente disponibile.

L’LTC3109 usa questi trasformatori step-up e i MOSFET interni per creare un oscillatore risonante in grado di operare da tensioni in ingresso bassissime. Con rapporto di trasformazione di 1:100, l’avvio del convertitore può avvenire con tensioni in ingresso di soli 30mV, a prescindere dalla polarità. L’avvolgimento secondario del trasformatore alimenta una pompa di carica e un circuito rettificatore usato per alimentare il circuito integrato (mediante il pin V_AUX) e caricare i condensatori in uscita.

L’uscita LDO da 2,2V è progettata per essere regolata per prima in modo da alimentare un microprocessore a basso consumo il più presto possibile. Successivamente il condensatore in uscita principale viene caricato alla tensione programmata dai pin V_S1 e V_S2 (2,35V, 3,3V, 4,1V o 5,0V) per alimentare sensori, circuiti analogici, transceiver RF oppure caricare un supercondensatore o una batteria. Il condensatore elettrolitico V_OUT fornisce l’energia necessaria durante l’impulso di carico del duty cycle basso, quando il sensore wireless è attivo e trasmette.

È disponibile anche un’uscita commutata (V_OUT2), facilmente controllata dall’host, per alimentare circuiti privi della modalità di spegnimento o sleep. Un’uscita powergood avverte l’host che la tensione in uscita principale è vicina al valore regolato. Nella figura 2 è illustrato lo schema elettrico dell’LTC3109.

Fig. 2 – Schema dell’LTC3109 per funzionamento con ingresso unipola
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Quando V_OUT è carica e regolata, la corrente recuperata viene dirottata sul pin V_STORE per caricare un condensatore di accumulo opzionale o una batteria ricaricabile. Questo elemento di accumulo può essere usato per mantenere la regolazione e alimentare il sistema nel caso in cui la fonte di recupero energetico sia discontinua. Un regolatore in derivazione sul pin V_AUX impedisce che V_STORE superi i 5,3V.

Usando un tipico TEG da 40mm², l’LTC3109 può funzionare con un differenziale ∆T di appena 2°C, il che rende questo dispositivo ideale per una vasta gamma di applicazioni. Un differenziale ∆T maggiore fa sì che l’LTC3109 riesca a fornire una corrente in uscita media più elevata. Nella figura 3 è indicata la corrente in uscita rispetto alle curve VIN del convertitore; viene dimostrata la capacità di funzionare ugualmente bene con tensioni in ingresso di entrambe le polarità.

Fig. 3 – Corrente in uscita dell’LTC3109 rispetto alla tensione in ingresso

Generatori termoelettrici (TEG)
I TEG sono semplicemente moduli termoelettrici che convertono un differenziale di temperatura nel dispositivo, e il relativo flusso di calore che lo attraversa, in una tensione mediante l’effetto Seebeck. Il fenomeno contrario, noto come effetto Peltier, produce un differenziale di temperatura applicando una tensione e viene comunemente usato nei raffreddatori termoelettrici (TEC). La polarità della tensione in uscita dipende dalla polarità del differenziale di temperatura nel TEG. Invertendo i lati caldo e freddo del TEG, la polarità della tensione in uscita cambia.

I TEG sono costituiti da coppie di pellet semiconduttori drogati di tipo N e di tipo P, collegati elettricamente in serie e inseriti tra due piastre di ceramica a conduzione termica. Il materiale semiconduttore più utilizzato è il bismuto-tellurio (Bi₂Te₃). Nella figura 4 è illustrata la struttura meccanica di un TEG.

Fig. 4 – Tipica struttura meccanica di un TEG

Alcuni produttori distinguono tra TEG e TEC. Nel TEG la lega usata per saldare le coppie nel modulo ha un punto di fusione più alto, il che consente il funzionamento con temperature e differenziali di temperatura più elevati e, di conseguenza, con una potenza in uscita più alta rispetto a un TEC standard (solitamente limitato a max 125°C). La maggior parte delle applicazioni di recupero energetico a basso consumo non vede alte temperature o differenziali di temperatura elevati.
I TEG sono disponibili in vari formati e con specifiche elettriche diverse. I moduli più comuni sono quadrati, hanno misure comprese tra 10mm e 50mm per lato e uno spessore di 2mm–5mm.

Un serie di variabili controlla quanta tensione produce un TEG per un determinato ∆T (proporzionale al coefficiente di Seebeck). La loro tensione in uscita è compresa tra 10 mV/K e 50mV/K di temperatura differenziale (a seconda del numero di coppie), con una resistenza di sorgente compresa tra 0,5Ω e 10Ω. In generale, più coppie in serie vi sono nel TEG, maggiore sarà la tensione in uscita per un determinato ∆T. Ma l’aumento del numero di coppie comporta un aumento della resistenza di serie del TEG, e una maggiore caduta di tensione durante la carica. Per compensare questa situazione i produttori possono regolare le dimensioni e la forma dei singoli pellet per mantenere una bassa resistenza, pur garantendo una tensione in uscita più elevata. La resistenza termica è un altro fattore di cui tenere conto quando si sceglie un TEG e lo si adatta a un dissipatore di calore.

Adattamento del carico
Per estrarre la quantità massima di energia disponibile da una qualsiasi fonte di tensione, la resistenza del carico deve corrispondere alla resistenza interna della sorgente. Questa situazione è illustrata nell’esempio della figura 5 dove una tensione della sorgente con una tensione a circuito aperto di 100mV e una resistenza di sorgente di 1Ω o 3Ω controlla una resistenza di carico.

Fig. 5 – Schema semplificato di una fonte di tensione che controlla un carico resistivo

La figura 6 mostra la potenza erogata al carico come funzione della resistenza di carico. In ogni curva si può vedere che la potenza massima viene fornita al carico quando la resistenza di carico corrisponde alla resistenza di sorgente.

Fig. 6 – Potenza in uscita dalla sorgente come funzione della resistenza di carico

L’LTC3109 presenta una resistenza di ingresso minima di circa 2,5Ω rispetto alla sorgente di ingresso (notare che è la resistenza di ingresso del convertitore, non del circuito integrato). Questo valore rientra a metà del range della maggior parte delle resistenze di sorgente del TEG, garantendo un buon adattamento del carico per un trasferimento di potenza quasi ottimale. Secondo il design dell’LTC3109, a una diminuzione di V_IN corrisponde un aumento della resistenza di ingresso. Questa caratteristica consente all’LTC3109 di adattarsi piuttosto bene a TEG con resistenze di sorgente diverse.

Scelta del TEG per la generazione di corrente
La maggior parte dei produttori di moduli termoelettrici non fornisce dati relativi alla tensione o alla corrente in uscita rispetto alla temperatura differenziale, che è poi l’informazione che il progettista di accumulatori di energia termica vuole avere. Altri parametri utili sono la resistenza elettrica (AC) e la resistenza termica, ma anche questi non sono sempre disponibili. Due parametri che vengono forniti sempre sono V_MAX e I_MAX, cioè la tensione e la corrente d’esercizio massime di un determinato modulo (gestito in un’applicazione di riscaldamento/raffreddamento). Dividendo V_MAX per I_MAX si ottiene il valore approssimativo della resistenza elettrica del dispositivo.

Avendo a disposizione una grande quantità di flusso termico e potendo ottenere un’adeguata dissipazione del calore su un lato del TEG, quando si sceglie un modulo termoelettrico per la generazione di corrente è buona regola optare per il modulo con il prodotto di (V_MAX • I_MAX) più alto per una determinata misura. In genere così si ottiene la tensione in uscita del TEG più alta e la resistenza di sorgente più bassa. Rispetto a questa regola si può osservare che il dissipatore di calore va dimensionato in base alle dimensioni del TEG. Un TEG più grande richiede dissipatori di calore più grandi per garantire prestazioni ottimali.

Notare che la resistenza elettrica, ove disponibile, è specificata come resistenza AC perchè non può essere misurata in modo tradizionale usando una corrente DC perché questa comporta le generazione di una tensione Seebeck che fornisce letture errate. Per le applicazioni che hanno una quantità limitata di flusso termico, e/o devono usare un dissipatore più piccolo, è meglio scegliere un TEG la cui resistenza termica corrisponde a quella del dissipatore più grande utilizzabile.

La figura 7 mostra la tensione in uscita e la potenza d’uscita massima relative a un TEG di 30mm² in un range ∆T compreso tra 1°C e 20°C. Entro tale range la potenza d’uscita può variare da centinaia di microwatt a decine di milliwatt. Notare che questa curva della potenza presuppone un adattamento del carico ideale, senza perdite di conversione. Infine, la potenza di uscita disponibile, dopo essere stata portata a un valore maggiore dall’LTC3109, è meno soggetta a perdite di conversione. La scheda tecnica dell’LTC3109 contiene diversi grafici relativi alla potenza di uscita disponibile in diverse condizioni operative.

Fig. 7 – Tensione a circuito aperto e dissipazione di potenza massima da un TEG di 30mm2

Le dimensioni del TEG destinato a una determinata applicazione dipendono dal differenziale ∆T minimo disponibile e dalla potenza media massima richiesta dal carico, oltre che dalla resistenza termica del dissipatore di calore da utilizzare per mantenere un lato del TEG a temperatura ambiente.

Considerazioni termiche
Quando si colloca un TEG tra due superfici con temperature diverse, il differenziale di temperatura “a circuito aperto”, prima dell’aggiunta del TEG, è maggiore del differenziale di temperatura all’interno del TEG dopo che è stato collocato. Questo è dovuto al fatto che la resistenza termica tra le piastre del TEG è abbastanza bassa (normalmente da 1°C/W a 10°C/W).

Prendiamo, ad esempio, una situazione in cui un macchinario grande funziona con una temperatura superficiale di 35°C e una temperatura ambiente di 25°C. Se si applica un TEG al macchinario, occorre aggiungere un dissipatore di calore sul lato freddo (a temperatura ambiente) del TEG per evitare che tutto il TEG raggiunga i 35°C, annullando qualsiasi differenziale di temperatura. Bisogna ricordare che è il flusso termico che attraversa il TEG a produrre la corrente in uscita.

In questo esempio, la resistenza termica del dissipatore di calore e del TEG stabiliscono quale parte del differenziale ∆T totale esiste all’interno del TEG. Nella figura 8 è illustrato un modello termico semplice del sistema.

Fig. 8 – Modello di resistenza termica di un TEG e di un dissipatore di calore

Ammesso che la resistenza termica della sorgente di calore (RS) sia trascurabile, la resistenza termica del TEG (RTEG) sia di 6°C/W e la resistenza termica del dissipatore di calore sia di 6°C/W, il differenziale ∆T risultante nel TEG è di soli 5°C. La bassa tensione in uscita del TEG con pochi gradi al suo interno sottolinea l’importanza della capacità dell’LTC3109 di funzionare con tensioni in ingresso bassissime.

È da notare che di solito i TEG grandi hanno una resistenza termica inferiore rispetto a quelli piccoli a causa della maggiore superficie. Pertanto, in applicazioni in cui viene usato un dissipatore di calore relativamente piccolo su un lato del TEG, un TEG grande ha un ∆T inferiore al suo interno rispetto ad uno piccolo, quindi non deve necessariamente fornire una potenza di uscita maggiore. In ogni caso l’impiego di un dissipatore di calore con la minima resistenza termica possibile consente di ottimizzare l’uscita elettrica, massimizzando la diminuzione di temperatura nel TEG.

Per le applicazioni in cui sono disponibili differenziali di temperatura maggiori (es. tensioni in ingresso più elevate), si può utilizzare un trasformatore con un rapporto inferiore, ad esempio 1:50 o 1:20, per fornire una capacità di corrente in uscita più alta. In generale se la tensione in ingresso minima è di almeno 50mV sotto carico, si consiglia un rapporto 1:50. Se la tensione in ingresso minima è di almeno 150mV, si consiglia un rapporto 1:20.

Applicazioni a bassissima potenza con batteria di backup
Alcune applicazioni funzionano in continuo e, in genere, sono alimentate da una batteria primaria piccola (es. batteria a bottone al litio da 3V). Se il consumo è abbastanza contenuto, queste applicazioni possono essere alimentate in continuo con energia termica recuperata oppure possono usare tale energia per estendere nettamente la durata della batteria, con conseguente riduzione dei costi di manutenzione. Nel caso in cui tutti i dispositivi elettronici consumino meno energia di quella erogata, l’LTC3109 può alimentare il carico in continuo finché nel TEG è presente un differenziale di temperatura. In queste condizioni non vi è alcun carico sulla batteria. Quando l’energia recuperata non è sufficiente, è la batteria di riserva ad alimentare il carico.

Grazie alla sua capacità di funzionare con tensioni in ingresso di appena ±30mV, l’LTC3109 fornisce una soluzione per la gestione dell’alimentazione semplice, ma efficace, che consente di recuperare energia termica da usare per l’alimentazione di sensori wireless ed altre applicazioni a basso consumo da dispositivi termoelettrici comuni. Questo prodotto, che è disponibile in package QFN-20 o SSOP, offre caratteristiche di bassa tensione ineguagliabili e un livello di integrazione tale da ridurre al minimo l’ingombro. L’LTC3109 si interfaccia alla perfezione con i moduli a basso consumo esistenti ed è in grado di supportare sensori wireless autonomi e di estendere la durata delle batterie nelle applicazioni di backup.

Tony Armstrong e Dave Salerno, Power Products di Linear Technology Corporation

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