Carica wireless per protesi acustiche

Una protesi acustica in genere è un compatto dispositivo elettronico indossabile che amplifica i suoni per assistere le persone affette da perdita dell’udito. Negli ultimi 20-30 anni la tecnologia delle protesi acustiche ha fatto continui progressi. Per esempio, in confronto alle tipologie più vecchie e relativamente economiche di protesi acustiche a circuiti analogici, le protesi acustiche più moderne e sofisticate possono essere programmate per amplificare maggiormente determinate frequenze. Inoltre, una protesi acustica digitale può essere regolata in funzione delle esigenze uniche della persona che la indossa, sintonizzandola secondo l’ambiente di ascolto e ottimizzandone la ricezione lungo una specifica direzione dalla quale provengono i suoni. Queste caratteristiche fanno sì che le protesi acustiche siano molto più complesse di semplici apparecchi di amplificazione del suono. Circa il 15% delle persone adulte che vivono negli Stati Uniti dichiara di avere problemi dell’udito. Negli Stati Uniti il settore delle protesi acustiche, da quando questi apparecchi sono diventati disponibili, è cresciuto in media del 3% - 4% all’anno e nel 2014 le vendite hanno superato i 3 milioni di unità. I tre modelli più diffusi sono quelli retroauricolari o Bte, che si indossano dietro il padiglione auricolare, quelli con ricevitore nel canale uditivo o Ric, e quelli endoauricolari o Rite, il cui ricevitore si trova sulla conca, ossia la parte cava prima del canale uditivo. Per una protesi acustica sia Bte che Ric/Rite, la soluzione di alimentazione più frequente prevede l’uso di una piccola batteria primaria zinco-aria non ricaricabile (0,9 - 1,25 V). La composizione chimica di questa batteria presenta una densità di energia volumetrica elevatissima; ne conseguono lunga autonomia e un ridotto fattore di forma. Ma poiché una batteria zinco-aria non può essere ricaricata, l’utente è costretto a sostituirla ogni 7 - 10 giorni. La sostituzione frequente di una batteria molto piccola in un involucro angusto è particolarmente difficile per persone con destrezza manuale compromessa e per gli anziani. Invece, una batteria agli ioni di litio offre un’autonomia ragionevole e inoltre può essere ricaricata, così che non deve essere sostituita spesso. Tuttavia, attualmente sul mercato non è disponibile nessuna soluzione per la carica di batterie che impieghi un singolo circuito integrato. I circuiti elettronici di una tipica protesi acustica sono alimentati direttamente da una batteria zinco-aria a singola cella, mentre la tensione di uscita di una batteria agli ioni di litio è pari a circa il triplo di quella di una batteria zinco-aria. Quindi, una soluzione basata su una batteria agli ioni di litio richiede sia un caricabatteria che un regolatore in discesa per applicare la corretta tensione di alimentazione al chip Asic della protesi acustica. Questo approccio comporta l’uso di più circuiti integrati e quindi dimensioni relativamente grandi; inoltre genera rumore di commutazione o interferenza elettromagnetica che possono creare problemi per i sensibili circuiti audio. Una soluzione alimentata da una batteria al nichel-metallo idruro offre entrambi i vantaggi: la cella NiMH ha un’uscita di tensione quasi identica a quella delle celle zinco-aria (per cui non è necessario aggiungere un regolatore in discesa), è ricaricabile e disponibile con fattori di forma uguali a quelli della normale batteria zinco-aria, consentendo di realizzare una protesi acustica compatta e quindi offrire una scelta molto convincente. Perché quindi è necessario un caricabatteria wireless? La risposta è chiara: la possibilità di ricaricare la batteria elimina la necessità di sostituirla spesso e come già accennato, ciò è molto vantaggioso per persone la cui destrezza manuale è compromessa; inoltre è più comodo anche per chi non soffre di questa condizione. Poiché la carica wireless, ossia senza fili, non richiede l’uso di connettori, combinando un tale metodo di carica con una batteria NiMH si può assicurare una soluzione pratica e affidabile. La protesi acustica può pertanto essere sigillata e impermeabile, così che si riduce la necessità di aprire l’apparecchio, che è anche protetto e quindi assicura funzionamento soddisfacente e durata più lunghi.

Il trasferimento di potenza wireless 

Un sistema Wpt (Wireless power transfer) induttivo consiste di circuiti elettronici di trasmissione, di una bobina di trasmissione e una di ricezione, e di circuiti elettronici di ricezione. La potenza ricevuta dipende da molti fattori: la potenza di trasmissione, l’accoppiamento fra la bobina di trasmissione (Tx) e quella di ricezione (Rx) (distanza, allineamento, proprietà fisiche, ferriti), parti metalliche vicine estranee nonché le tolleranze dei componenti. In un sistema wireless, la potenza viene trasferita mediante un campo magnetico alternato: una corrente alternata nella bobina di trasmissione genera un campo magnetico che induce una corrente alternata nella bobina di ricezione che si trova in questo campo. La corrente alternata indotta nella bobina di ricezione è funzione sia della corrente alternata applicata alla bobina di trasmissione che dell’accoppiamento esistente fra le due bobine. La portata di trasmissione della potenza attraverso il traferro può essere migliorata utilizzando il fenomeno della risonanza: si collega alla bobina di ricezione un condensatore per creare un circuito Lc sintonizzato su una frequenza identica a quella della corrente alternata presente nella bobina di trasmissione. Finora, la costruzione di un sistema di carica Wpt richiedeva una soluzione complessa, ovvero un caricabatteria, un regolatore buck a commutazione e circuiti Wpt, che tendeva a essere voluminosa e difficile da progettare.

Ricevitore wireless e caricabatteria NiMH

Una soluzione ai problemi illustrati, consistente di un ricevitore di potenza wireless e un caricabatteria, richiede i seguenti attributi:

  • Carica wireless - Viene così eliminata la necessità di sostituzioni frequenti della batteria ed è possibile realizzare una protesi acustica sigillata, impermeabile e più affidabile.
  • Struttura monolitica - Il compatto ricevitore incorporato e i circuiti TPW sono tutti realizzati in un solo circuito integrato.
  • Carica con compensazione della temperatura - Per consentire di caricare in sicurezza la batteria NiMH.
  • Rilevamento della batteria zinco-aria - La protesi acustica può funzionare con batterie al nichel-metallo idruro o zinco-aria. Una cella NiMH ricaricabile serve per l’uso in condizioni normali, ma in caso di emergenza – quando l’utente potrebbe avere dimenticato di caricarla – è possibile inserire in sicurezza una cella zinco-aria ricaricabile senza il rischio che l’LTC4123 cerchi di caricarla (il che la danneggerebbe).
  • Rilevamento della polarità inversa - La carica non viene eseguita se la batteria viene inserita con i poli in modo sbagliato.
  • Indicazione dello stato di carica - Affinché l’utente sappia quando ricaricare la batteria.
  • Timer di sicurezza della carica - Per proteggere la batteria.
  • Rilevamento di sovra/sottotemperatura - La carica viene sospesa se la temperatura della batteria raggiunge valori estremi.
  • Dimensioni complessive ridotte.

Per far fronte a queste specifiche esigenze, Linear Technology, ora parte di Analog Devices, ha introdotto l’LTC4123, un ricevitore wireless da 30mW dotato di un caricabatteria lineare a corrente costante/tensione costante per batterie NiMH, come il Varta Power One Accu Plus Series. Un circuito Lc risonante esterno collegato all’LTC4123 consente al circuito integrato di ricevere la potenza trasmessa via etere da un campo magnetico alternato generato da un’apposita bobina. Il circuito integrato di gestione della potenza converte la corrente alternata accoppiata nella corrente continua necessaria per caricare la batteria. La carica wireless eseguita tramite l’LTC4123 consente di realizzare un dispositivo interamente sigillato ed elimina la necessità di sostituire costantemente batterie primarie zinco-aria. Tuttavia, nel caso di prodotti che richiedono la flessibilità di essere alimentabili da batterie di diverse composizioni chimiche, la funzione di rilevamento della batteria zinco-aria di cui è dotato l’LTC4123 fa sì che lo stesso circuito applicativo possa funzionare in modo intercambiabile sia con batterie NiMH ricaricabili che con batterie zinco-aria primarie. Indipendentemente dalla sua composizione chimica, la batteria può così alimentare direttamente l’Asic di una protesi acustica senza bisogno di un’ulteriore conversione di tensione. Invece, per alimentare l’Asic una batteria agli ioni di litio richiede un regolatore in discesa, oltre alla funzionalità di carica wireless della batteria. Il ricevitore LTC4123 raddrizza la corrente alternata esistente nella bobina di ricezione e può anche accettare un ingresso da 2,2 a 5 V per alimentare un caricabatteria a corrente costante/tensione costante che presenta una gamma completa di funzioni: corrente di carica programmabile sino a 25 mA, tensione di carica della batteria da 1,5 V a singola cella con compensazione della temperatura e precisione pari a ±1%, indicazione dello stato di carica e timer di sicurezza incorporato di terminazione della carica. La funzione di compensazione di temperatura per la tensione di carica protegge la batteria NiMH e previene la sovraccarica. Il ricevitore LTC4123 impedisce la carica se la batteria viene inserita con polarità inversa e la sospende se la temperatura diventa troppo alta o troppo bassa. Il ricevitore LTC4123 è ospitato in un package Dfn di 2 x 2 mm a 6 conduttori estremamente compatto e a profilo ribassato e nella versione E il suo funzionamento è garantito da –20 a 85 °C.

Trasferimento di potenza wireless con l’LTC4123

Un sistema per il trasferimento di potenza wireless induttivo consiste di circuiti elettronici di trasmissione, di una bobina di trasmissione e una di ricezione, e di circuiti elettronici di ricezione. La base dell’elettronica del ricevitore in tale sistema è rappresentata dall’LTC4123. La bobina di ricezione può essere integrata nella scheda di circuiti stampati del ricevitore. Un circuito Lc risonante esterno collegato al pin AcIn consente al dispositivo di ricevere la potenza via etere trasmessa da un campo magnetico alternato generato da un’apposita bobina. Come trasmettitore si può utilizzare un oscillatore al silicio controllato in tensione LTC6990 TimerBlox, come illustrato nella scheda dati dell’LTC4123.

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