Un tipico sistema di recupero energetico, o nodo a sensori wireless, è costituito da quattro blocchi: una fonte di energia ricavata dall'ambiente; un elemento trasduttore e un circuito di conversione della corrente per alimentare l'elettronica a valle; un sensore che collega il nodo al mondo fisico e un componente costituito da un microprocessore o un microcontrollore che elabora le misurazioni e le archivia nella memoria; un dispositivo di comunicazione costituito da una radio a corto raggio per la comunicazione wireless con i nodi adiacenti e il mondo esterno. Tra le fonti di energia ambientale figurano i generatori termoelettrici o le termopile, collegati a una fonte che genera calore, ad esempio un condotto dell'aria o un trasduttore piezoelettrico, collegata a una fonte meccanica vibrante come una vetrata. Nel caso della fonte di calore, un dispositivo termoelettrico compatto (comunemente definito trasduttore) può convertire piccole variazioni di temperatura in energia elettrica mentre, nel caso delle vibrazioni o delle sollecitazioni meccaniche, l'energia elettrica viene generata da un dispositivo piezoelettrico. L'energia prodotta può essere convertita da un circuito a recupero energetico e trasformata in una forma adatta ad alimentare l'elettronica a valle. Quindi un microprocessore può attivare un sensore che effettua una misurazione e viene controllato da un convertitore analogico-digitale in modo da trasmettere i dati attraverso un transceiver wireless a bassissimo consumo. Sono molti i fattori che influiscono sulle caratteristiche di consumo di un sistema di nodi di sensori wireless a recupero energetico. Naturalmente l'energia fornita dalla fonte di recupero dipende da quanto la fonte rimane attiva. Quindi il criterio principale per confrontare le fonti recuperate è la densità di potenza, non la densità di energia. Normalmente il recupero energetico è soggetto a livelli di potenza disponibile bassi, variabili e imprevedibili, per cui viene usata una struttura ibrida che si interfacci con l'accumulatore di energia e una riserva secondaria. L'accumulatore, per la sua alimentazione illimitata e la carenza di potenza, è la fonte energetica del sistema. La riserva di potenza secondaria, una batteria o un condensatore, fornisce un'alimentazione in uscita maggiore, ma accumula meno energia, fornendo potenza quando necessario, ma ricevendo regolarmente carica dall'accumulatore. Le tecnologie di recupero energetico innovative e disponibili sul mercato, ad esempio recupero di energia dalle vibrazioni o il fotovoltaico, producono livelli energetici nell'ordine dei milliwatt in condizioni operative normali. Se questi livelli energetici possono sembrare limitati, l'utilizzo di elementi di recupero energetico nell'arco di un certo numero di anni consente di paragonare le tecnologie alle batterie primarie di lunga durata, sia in termini di fornitura di energia che di costi per unità di energia fornita. Inoltre i sistemi che prevedono il recupero energetico possono ricaricarsi una volta esauriti, cosa che i sistemi alimentati da batterie primarie non sono in grado di fare. Come già spiegato, tra le fonti di energia ambientale sono inclusi luce, differenziali di calore, fasci vibranti, segnali RF trasmessi o qualsiasi altra fonte in grado di produrre una carica elettrica attraverso un trasduttore. Per progettare un sistema a sensori wireless completamente autonomo occorrono microcontrollori a risparmio energetico e trasduttori che consumano livelli minimi di energia elettrica proveniente da ambienti a basso consumo. Fortunatamente i sensori e i microcontrollori a basso costo e basso consumo sono disponibili da diversi anni, ma i transceiver a bassissimo consumo sono entrati in commercio solo da poco. Ciò nonostante il ritardatario di questa catena è stato il dispositivo a recupero energetico, settore in cui gli ultimi prodotti di Linear Technology, LTC3109, LTC3588-1 e LTC3105, possono offrire un nuovo livello di prestazioni e semplicità.
IC a recupero energetico
L'LTC3109 è un convertitore Dc/Dc altamente integrato e un dispositivo di gestione dell'alimentazione in grado di raccogliere e gestire l'energia in eccesso derivante da fonti con tensioni in ingresso molto basse come generatori termoelettrici, termopile e piccole celle solari. La sua innovativa topologia proprietaria con autopolarità consente il funzionamento da fonti in ingresso di appena 30 mV, a prescindere dalla polarità. Il circuito utilizza due trasformatori step-up compatti per aumentare la fonte di tensione in ingresso verso l'LTC3109 che fornisce una soluzione di gestione dell'alimentazione completa per il wireless sensing e l'acquisizione dati. Può recuperare piccole differenze di temperatura e generare energia da utilizzare al posto della potenza generata da una batteria. Per le tensioni in ingresso di appena 30 mV si consiglia un rapporto di trasformazione primario-secondario di circa 1:100. Per tensioni maggiori, si può utilizzare un rapporto inferiore per ottenere una potenza di uscita superiore. Questi trasformatori sono di tipo standard e sono sempre disponibili presso fornitori come Coilcraft. L'LTC3109 adotta un approccio a “livello di sistema” per risolvere un problema complesso. Converte la fonte di bassa tensione e gestisce l'energia tra più uscite. La tensione Ac prodotta sull'avvolgimento secondario di ogni trasformatore viene incrementata e rettificata usando un condensatore con pompa di carica esterno e i raddrizzatori interni all'LTC3109. Questo circuito di raddrizzatori alimenta corrente al pin VAUX, fornendo la carica al condensatore VAUX esterno e altre uscite. L'Ldo a 2,2V interno può supportare un processore o altri circuiti integrati a basso consumo. L'Ldo è alimentato con un valore maggiore di VAUX o VOUT, il che gli consente di attivarsi non appena VAUX ha raggiunto i 2,3 V, 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'Ldo è in grado di fornire una corrente di uscita di 3mA. Il condensatore VSTORE può essere un valore molto elevato (migliaia di microfarad o perfino Farad) per garantire il blocco 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 guasto all'alimentazione, il funzionamento prosegue a prescindere dal condensatore VSTORE. L'LTC3588-1 è una soluzione completa per il recupero energetico ottimizzata per fonti a bassa energia, tra cui i trasduttori piezoelettrici. I dispositivi piezoelettrici producono energia per compressione o deflessione del dispositivo. Questi elementi piezoelettrici possono produrre 100s di uW/cm2 in base alle dimensioni e alla struttura. Occorre tener presente che l'effetto piezoelettrico è reversibile, vale a dire i materiali che mostrano l'effetto piezoelettrico diretto (produzione di un potenziale elettrico quando viene applicata una sollecitazione) mostrano anche l'effetto piezoelettrico inverso (produzione di sollecitazione, cioè deflessione quando viene applicata una tensione). L'LTC3588-1 funziona in un range di tensioni in ingresso compreso tra 2,7 e 20 V e supporta una vasta gamma di trasduttori piezoelettrici, oltre che altre fonti di energia con elevata impedenza di uscita. Il convertitore buck Dc/Dc ad alta efficienza fornisce fino a 100 mA di corrente di uscita continua o carichi a impulsi superiori. La sua uscita può essere programmata su una delle quattro tensioni fisse per alimentare un trasmettitore o un sensore senza fili. La corrente di riposo è di appena 950 nA con l'uscita in regolazione (senza carico), con conseguente ottimizzazione del livello di efficienza generale.
L'LTC3588-1 è progettato per interfacciarsi direttamente con un trasduttore piezoelettrico o una fonte di alimentazione Ac ad alta impedenza alternativa, ma anche per rettificare la forma d'onda della tensione e immagazzinare l'energia recuperata in un condensatore di accumulo esterno, il tutto dissipando l'energia in eccesso tramite un regolatore di derivazione interno. Grazie alla modalità Uvlo (Undervoltage Lockout) con bassissima corrente di riposo (450 nA) e una finestra di isteresi di 1-1,4 V è possibile accumulare la carica sul condensatore di accumulo fino a quando parte della carica immagazzinata non viene trasferita all'uscita dal convertitore buck.
L'LTC3105 è un convertitore step-up a tensione bassissima e un Ldo appositamente ideato per semplificare nettamente il recupero e la gestione dell'energia proveniente da fonti alternative a bassa tensione e alta impedenza, come celle fotovoltaiche, generatori termoelettrici e pile a combustibile. Per la configurazione step-up sincrona che parte da tensioni in ingresso di appena 250 mV, il dispositivo è adatto a recuperare energia perfino da celle fotovoltaiche piccolissime in condizioni di luce difficili. L'ampio range di tensioni in ingresso (da 0,2 a 5 V) lo rende la soluzione ideale per numerose applicazioni. Un Mppc (Maximum Power Point Controller) integrato consente all'LTC3105 di estrarre la massima energia disponibile che la fonte è in grado di fornire. Senza Mppc la fonte di alimentazione può produrre solo una frazione della sua capacità massima teorica. I limiti di corrente di picco vengono regolati automaticamente per massimizzare l'efficienza di conversione dell'energia, mentre la modalità BurstMode diminuisce la corrente di riposo ad appena 22 uA, riducendo al minimo il prelievo dall'elemento di accumulo dell'energia. L'Ldo Iq a bassissimo consumo può alimentare direttamente i microcontrollori a basso consumo e i circuiti dei sensori più diffusi. Il circuito utilizza l'LTC3105 per caricare una batteria agli ioni di litio a una cella da una sola cella fotovoltaica. Il circuito consente alla batteria di ricaricarsi continuamente quando la fonte solare è disponibile e poi di alimentare l'applicazione con l'energia accumulata quando tale fonte non è più disponibile.
L'LTC3105 consente l'avvio da tensioni di soli 250 mV. Durante l'avvio, l'uscita Aux viene inizialmente caricata con i raddrizzatori sincroni disattivati. Quando VAUX raggiunge circa 1,4 V, il convertitore passa dalla modalità di avvio al normale funzionamento. L'Mppc non è attivo durante l'avvio, ma le correnti vengono limitate internamente a livelli sufficientemente bassi da consentire l'avvio da fonti in ingresso basse. Mentre il convertitore è nella modalità di avvio, lo switch interno tra Auxe VOUT rimane disattivato e l'Ldo viene disattivato.
Quando VIN o VAUX è maggiore di 1,4V, il convertitore funziona normalmente. Il convertitore continua a caricare l'uscita AUX finché l'uscita dell'Ldo entra nella fase di regolazione. A questo punto il convertitore inizia a caricare il pin VOUT. VAUX viene mantenuto a un livello sufficiente a garantire che l'Ldo rimanga nella fase di regolazione. Se VAUX aumenta più di quanto sia necessario per mantenere la regolazione dell'Ldo, la carica viene trasferita dall'uscita AUX all'uscita VOUT. Se VAUX diminuisce troppo, la corrente viene reindirizzata all'uscita Aux invece di essere usata per caricare l'uscita VOUT. Quando VOUT diventa maggiore di VAUX, uno switch interno viene attivato per connettere le due uscite tra loro. Se VIN è maggiore della tensione sull'uscita controllata (VOUT o VAUX) o l'uscita controllata è inferiore a 1,2V, i raddrizzatori sincroni vengono disattivati e operano nella modalità a condizione critica, consentendo la regolazione anche quando VIN>VOUT. Quando la tensione in uscita è maggiore di quella in ingresso e maggiore di 1,2V, viene attivato il raddrizzatore sincrono. In questa modalità il Mosfet a canale N tra SW e GND viene abilitato finché la corrente dell'induttore raggiunge il limite di corrente di picco. A questo punto il Mosfet a canale N si spegne e si accende il Mosfet a canale P tra SW e l'uscita controllata. Questo switch rimane attivo finché la corrente dell'induttore scende al di sotto del limite di corrente a valle e il ciclo viene ripetuto. Quando VOUT raggiunge il punto di regolazione, i Mosfet a canale N e P collegati al pin SW vengono disattivati e il convertitore entra in standby.
Per alimentare microcontrollore e sensori esterni, un Ldo integrato fornisce un rail da 6mA regolato. L'Ldo viene alimentato dall'uscita Aux, consentendo di mantenere la regolazione quando l'uscita principale è ancora in fase di carica. La tensione in uscita dell'Ldo può essere fissata a 2,2 V o regolata mediante un partitore resistivo.
Il circuito MPPC integrato consente all'utente di impostare il punto operativo della tensione in ingresso ottimale per un determinato alimentatore. Inoltre il circuito Mppc regola dinamicamente la corrente dell'induttore media per evitare che la tensione in ingresso scenda al di sotto della soglia dell'Mppc. Quando VIN è maggiore della tensione di Mppc, la corrente dell'induttore viene aumentata finché VIN ritorna al valore impostato di Mppc. Se VIN è inferiore alla tensione di Mppc, la corrente dell'induttore viene ridotta finché VIN aumenta fino al valore impostato di Mppc. L'LTC3105 prevede una funzione che massimizza l'efficienza con un carico leggero, fornendo un'alimentazione maggiore con un carico pesante mediante regolazione della corrente dell'induttore a monte e a valle come funzione del carico. Una riduzione della corrente di picco dell'induttore a 100 mA con un carico leggero ottimizza l'efficienza riducendo le perdite di conduzione. Mano a mano che il carico aumenta, la corrente di picco dell'induttore viene automaticamente aumentata al valore massimo, 400 mA. Con carichi intermedi la corrente di picco dell'induttore può variare tra 100 mA e 400 mA. Questa funzione è superata dalla funzione Mppc e viene osservata solo quando la fonte può fornire più energia di quanto non richieda il carico. In applicazioni come la conversione fotovoltaica, la fonte di energia in ingresso può mancare per lunghi periodi di tempo. In questo caso, per evitare la scarica delle uscite, l'LTC3105 prevede un blocco di sottotensione che spegne il convertitore se la tensione in ingresso scende al di sotto di 90 mV . Nella modalità di spegnimento, lo switch che collega Aux e Vout viene attivato, l'Ldo viene posto nella modalità di blocco inverso e la corrente verso Vout viene ridotta a 4 μA. La corrente inversa nell'Ldo è limitata a 1 μA nella modalità di spegnimento per ridurre al minimo la scarica dell'uscita.
