Una vasta gamma di sensori e controllori industriali a basso consumo sta passando a fonti di energia alternative per l'alimentazione principale o supplementare. In teoria l'energia recuperata elimina la necessità dell'alimentazione via cavo o batteria. I trasduttori che creano elettricità da sorgenti fisiche disponibili, ad esempio differenziali di temperatura (generatori termoelettrici o termopile), vibrazioni meccaniche (dispositivi piezoelettrici o elettromeccanici) e luce (dispositivi fotovoltaici), stanno diventando possibili fonti di alimentazione per molte applicazioni. Numerosi sensori wireless, monitor remoti e altre applicazioni a basso consumo sono sulla buona strada per diventare dispositivi a consumo quasi “zero” grazie all'energia recuperata (comunemente denominata nanoPower).
Il recupero energetico, che ha fatto la sua comparsa agli inizi del 2000 (fase embrionale), ha raggiunto livelli di commerciabilità grazie ai recenti sviluppi tecnologici. Nel 2010 siamo a un punto di flessione, pronti per la fase di “crescita”. In Europa sono già state utilizzate applicazioni di sensori per l'automazione degli edifici con impiego di tecniche di recupero energetico, a dimostrazione che la fase di crescita è già iniziata.
Le attuali installazioni come dimostrazione
dell'accettazione commerciale
Sebbene il concetto di recupero energetico esista da diversi anni, il processo di implementazione di un sistema in un contesto reale è stato lento, complesso e costoso. Ciò nonostante in alcuni settori il recupero energetico è già stato utilizzato: infrastrutture di trasporto, dispositivi medicali wireless, misurazione della pressione pneumatici e, più frequentemente, automazione degli edifici. In quest'ultimo caso dispositivi come sensori di presenza, termostati e interruttori della luce possono utilizzare un sistema meccanico o a recupero energetico al posto dei normali cavi di alimentazione e controllo. Allo stesso modo una rete wireless che utilizza una tecnica di recupero energetico può collegare un numero qualsiasi di sensori in un edificio per ridurre i costi relativi a riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria e illuminazione, togliendo l'alimentazione a zone dell'edificio non essenziali, prive di occupanti. Inoltre il costo dell'elettronica a recupero energetico è spesso inferiore a quello dei fili sensori, quindi l'adozione di una tecnica di recupero energetico comporta sicuramente un vantaggio economico. Un tipico sistema a recupero energetico è costituito da una fonte di energia libera, ad esempio un generatore termoelettrico o una termopila, collegata 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 converte piccole variazioni di temperatura in energia elettrica mentre, nel caso delle vibrazioni o delle sollecitazioni, l'energia elettrica viene generata da un dispositivo piezoelettrico che converte queste piccole variazioni di vibrazione o sollecitazione. In entrambi i casi l'energia elettrica prodotta può a sua volta essere convertita da un circuito a recupero energetico e trasformata in una forma adatta ad alimentare circuiti a valle. Solitamente questa elettronica a valle è costituita da sensori, convertitori analogico-digitali e microcontrollore a bassissimo consumo. Questi componenti possono prendere l'energia recuperata, trasformata in corrente elettrica, e attivare un sensore per effettuare una misurazione e, in seguito, trasmettere i dati mediante un transceiver wireless a bassissimo consumo. Ogni blocco del circuito di questa catena, con l'unica eccezione della stessa fonte di energia, ha avuto una serie di limiti che finora ne hanno pregiudicato la commerciabilità. I sensori e i microcontrollori a basso costo e basso consumo sono stati disponibili per un paio d'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. Le attuali implementazioni del blocco a recupero energetico sono costituite da configurazioni discrete di basso profilo, solitamente formate da almeno 30 componenti. Questi design hanno un'efficienza di conversione limitata e correnti di riposo elevate, due carenze che compromettono le prestazioni del sistema finale. La bassa efficienza di conversione aumenta il tempo necessario per avviare un sistema che, a sua volta, aumenta l'intervallo tra la misura effettuata dal sensore e la trasmissione dei dati. Una corrente di riposo elevata pone un limite a quanto bassa possa essere la fonte a recupero energetico perché deve superare il livello di corrente necessario per il funzionamento prima di poter utilizzare la parte in eccesso per alimentare l'uscita.
Soluzioni rivoluzionarie
Ciò che è mancato finora è un convertitore Dc/Dc ad alto rendimento e altamente integrato, in grado di recuperare e gestire l'energia proveniente da una fonte termica o piezoelettrica. I rivoluzionari LTC3108 e LTC3588-1 di Linear Technology renderanno molto più semplice il recupero dell'energia in eccesso proveniente da diverse fonti. L'LTC3108, recentemente introdotto, è un convertitore step-up a bassissima tensione e sistema di gestione dell'alimentazione, ideato per semplificare il recupero e la gestione dell'energia in eccesso da fonti a bassissima tensione quali termopile, generatori termoelettrici e piccoli pannelli solari. La sua topologia step-up opera da tensioni in ingresso di soli 20mV, cosa molto importante perché consente all'LTC3108 di recuperare energia da un generatore termoelettrico con variazioni di temperatura di 1°C, valore che un'implementazione discreta fatica a raggiungere a causa della sua corrente di riposo elevata. Il circuito utilizza un piccolo trasformatore step-up per aumentare la fonte di tensione in ingresso in un LTC3108 che offre quindi una soluzione completa per la gestione dell'alimentazione per sensori wireless e l'acquisizione dati. Può recuperare piccole variazioni di temperatura e generare potenza del sistema invece di usare le tradizionali batterie. L'LTC3108 utilizza uno switch Mosfet depletion a canale N per formare un oscillatore step-up di risonanza che usa un trasformatore step-up esterno e un piccolo condensatore di accoppiamento. Questo consente di aumentare le tensioni in ingresso di 20mV fino a un livello sufficiente a fornire tensioni in uscita regolate multiple per alimentare altri circuiti. La frequenza di oscillazione dipende dall'induttanza dell'avvolgimento secondario del trasformatore ed è normalmente compresa tra 20 kHz e 200 kHz. Per le tensioni in ingresso di 20 mV si raccomanda un rapporto spire primario-secondario di circa 1:100; per tensioni maggiori si può utilizzare un rapporto inferiore. Questi trasformatori sono di tipo standard e sono sempre disponibili presso i fornitori. È il nostro Mosfet depletion a canale N a svuotamento a rendere possibile il funzionamento a 20 mV. L'LTC3108 risolve un problema complesso affrontandolo a “livello di sistema”. Può convertire la sorgente a bassa tensione e gestire l'energia tra diverse uscite. La tensione AC prodotta sull'avvolgimento secondario del trasformatore viene incrementata e rettificata usando un condensatore esterno per la pompa di carica (dall'avvolgimento secondario al C1) e i raddrizzatori interni all'LTC3108. Questo circuito raddrizzatore alimenta la corrente nel pin VAUX, fornendo la carica al condensatore VAUX esterno e alle altre uscite. L'Ldo a 2,2 V interno può supportare un processore o altri IC 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 2,3 V, mentre il condensatore di accumulo VOUT è ancora in carica. In caso di un gradino di carico sull'uscita Ldo, la corrente può provenire dal condensatore VOUT principale se VAUX scende al di sotto di VOUT. L'uscita Ldo può fornire fino a 3 mA.
La tensione in uscita principale su VOUT viene caricata dall'alimentatore VAUX e può essere programmata su uno dei quattro valori mediante gli appositi pin VS1 e VS2. Le quattro tensioni in uscita fisse sono: 2,35 V per supercondensatori, 3,3 V per condensatori standard, 4,1 V per terminazione di batterie al litio-ioni e 5 V per un maggiore accumulo di energia e un rail di sistema principale per alimentare un trasmettitore o sensori wireless, con conseguente eliminazione delle resistenze esterne da più meg-Ohm. L'LTC3108 non richiede speciali rivestimenti per ridurre le perdite, ad esempio design discreti dove servono resistenze molto potenti.
Una seconda uscita, VOUT2, può essere attivata e disattivata dal microprocessore host usando il pin VOUT2_EN. Una volta attivata, VOUT2 viene collegata a Vout mediante uno switch Mosfet a canale P. Questa uscita può essere usata per alimentare circuiti esterni come sensori e amplificatori senza modalità sleep o di spegnimento. Un esempio potrebbe essere attivare e disattivare un Mosfet quale parte di un circuito di rilevamento nel termostato di un edificio.Il condensatore VSTORE può avere un valore molto grande (migliaia di microfarad o Farad) per garantire l'Hold Up nei momenti in cui la potenza in ingresso può andare persa. Una volta completata l'accensione, le uscite principali, di backup e commutate sono disponibili. In caso di mancanza dell'alimentazione in ingresso, il funzionamento prosegue, esternamente al condensatore VSTORE. L'uscita VSTORE può essere usata per caricare un condensatore di accumulo di grandi dimensioni o una batteria ricaricabile dopo che VOUT ha raggiunto la regolazione. A quel punto l'uscita VSTORE può caricare fino alla tensione VAUX che viene limitata a 5,3 V. L'elemento di accumulo su VSTORE, oltre a essere usato per alimentare il sistema in caso di perdita della fonte in entrata, può essere usato per integrare la corrente richiesta da VOUT, VOUT2 e dalle uscite Ldo, se la fonte in entrata non ha abbastanza energia. Un comparatore power good controlla la tensione VOUT. Quando VOUT ha raggiunto il 7% della sua tensione regolata, l'uscita Pgood commuta a livello alto. Se VOUT scende al di sotto del 9% rispetto alla sua tensione regolata, Pgood commuta a livello basso. L'uscita Pgood serve a controllare un microprocessore o un altro chip I/O e non è destinata a controllare un carico di corrente maggiore.
Alimentare il recupero energetico
Il circuito utilizza un piccolo trasduttore piezoelettrico per convertire la vibrazione meccanica in una fonte di tensione AC che viene alimentata nel raddrizzatore a ponte interno dell'LTC3588. Può recuperare piccole vibrazioni e generare potenza di sistema invece di usare le tradizionali batterie. L'LTC3588-1 è un alimentatore a corrente di riposo bassissima, appositamente ideato per applicazioni di recupero energetico o step-down a bassa corrente. Può interfacciarsi direttamente con un trasduttore piezoelettrico o un'altra fonte di alimentazione Ac, rettificare la forma d'onda della tensione e immagazzinare l'energia recuperata in un condensatore di accumulo esterno, dissipando al contempo l'energia in eccesso tramite un regolatore di derivazione interno e mantenendo una tensione di uscita regolata mediante un regolatore buck a elevata efficienza. Il raddrizzatore a ponte e onda intera interno dell'LTC3588-1 è accessibile da due ingressi differenziali, PZ1 e PZ2, che rettificano gli ingressi Ac. L'uscita rettificata viene immagazzinata in un condensatore al pin VIN e può essere usata come riserva energetica per il convertitore buck. Il rettificatore a ponte a bassa perdita ha una caduta di tensione totale di circa 400 mV con tipiche correnti piezoelettriche che sono normalmente pari a circa 10μA. Questo ponte è in grado di condurre correnti fino a 50 mA. Il regolatore buck viene abilitato non appena è disponibile una tensione su VIN sufficiente a produrre un'uscita regolata. Il regolatore buck usa un algoritmo per tensione isteretico per controllare l'uscita mediante il feedback interno del pin di rilevamento VOUT. Il convertitore buck carica un convertitore di uscita tramite un induttore a un valore leggermente più alto del punto di regolazione. A questo scopo la corrente dell'induttore viene aumentata a 260 mA tramite uno switch Pmos interno e poi diminuita a 0 mA tramite uno switch Nmos interno; al condensatore di uscita viene così fornita energia in modo efficiente. Questo metodo isteretico di fornire un'uscita regolata riduce le perdite associate alla commutazione Fet e mantiene l'uscita a carichi leggeri. In fase di commutazione il convertitore buck fornisce almeno 100 mA di corrente di carico media.
