BRPI0813393B1 - conversor de cc em cc bidirecional, método para regular transferência bidirecional de potência, e, sistema para varredura de potência. - Google Patents

Abstract

conversor de cc em cc bidirecional, método para regular transferência bidirecional de potência, e, sistema para varredura de potência é descrito um conversor de cc em cc bidirecional que tem um primeiro modo operacional e um segundo modo operacional que inclui um primeiro par de terminais que tem um terminal positivo e um terminal negativo e que conecta o conversor a um primeiro circuito elétrico, um segundo par de terminais que tem um terminal positivo e um terminal negativo e que conecta o conversor a um segundo circuito elétrico, um elemento de acumulação para acúmulo temporário da potência elétrica; e um circuito de acumulação conectado no primeiro par de terminais, o segundo par de terminais e o elemento de acumulação. potência elétrica é transferida do primeiro circuito elétrico para o segundo circuito elétrico por meio do elemento de acumulação no primeiro modo operacional do conversor de cc em cc bidirecional e do segundo circuito elétrico para o primeiro circuito elétrico por meio do elemento de acumulação no segundo modo operacional do conversor cc em cc.

Description

“CONVERSOR DE CC EM CC BIDIRECIONAL, MÉTODO PARA REGULAR

TRANSFERÊNCIA BIDIRECIONAL DE POTÊNCIA, E, SISTEMA PARA

VARREDURA DE POTÊNCIA”

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS [0001] Este pedido reivindica benefício dos pedidos de patente provisórios Estados Unidos seguintes: número de série 60/944.451, intitulado Bidirectional DC to DC Converter for Power Storage Control in a Power Scavenging Application, depositado em 15 de junho de 2007 (documento judicial número 06005/561855P), e número de série 60/944.454, intitulado Input Regulated DC to DC Converter for Power Scavenging, depositado em 15 de junho de 2007 (documento judicial número 06005/561853P), cujas revelações estão por meio deste expressamente aqui incorporadas pela referência.

CAMPO DA INVENÇÃO [0002] A presente invenção diz respeito no geral a circuitos de conversão de tensão e potência e, mais particularmente, a um método e aparelho para transferir energia entre um circuito elétrico primário e um circuito elétrico secundário. DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA [0003] Conversores CC em CC são usados em uma variedade de aplicações para produzir tensão regulada. Alguns conversores, conhecidos como conversores de aumento ou de reforço, geral tensão nos terminais de saída que é maior que a tensão de entrada. Ao contrário, conversores de redução ou redutores geram menor tensão nos terminais de saída. Os conversores CC em CC conhecidos na tecnologia tipicamente operam controlando, por meio de conjunto de circuitos de comutação dedicado, o sincronismo e a direção de corrente que passa por um indutor. Em particular, conversores CC em CC variam ciclicamente os períodos de tempo durante os quais um indutor acumula e então libera energia elétrica em resposta à tensão detectada pelo circuito de realimentação nos terminais de saída do conversor. Em virtude de a operação de um conversor CC em CC típico depender apenas da tensão de saída, o conversor absorve muito mais potência que a necessária dos terminais de entrada a fim de produzir tensão regulada nos terminais

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2/29 de saída. Por exemplo, a fim de prover tensão constante a uma carga, um conversor CC em CC típico extrairá mais ou menos potência dos terminais de entrada, dependendo das demandas da carga.

[0004] Uma aplicação conhecida de conversores CC em CC é no conjunto de circuitos de dispositivos de varredura de potência. Em muitas aplicações industriais e domésticas, um ciclo de corrente consistindo em uma fonte de um ou mais consumidores de potência elétrica inclui conjunto de circuitos adicional para redirecionar parte da potência do ciclo de corrente para uma carga secundária. O processo de colher energia de um circuito primário é normalmente referido como coleta e o conjunto de circuitos exigido para realizar esta operação é correspondentemente referido como um dispositivo de varredura de potência. Tipicamente, um dispositivo de varredura visa excesso de potência elétrica não utilizada de um circuito primário a fim de acionar uma carga menor.

[0005] Essencialmente, a aplicação do dispositivo de varredura não está limitada a circuitos elétricos. Por exemplo, potência pode ser proveniente de uma fonte tal como radiação solar ou vibração física. Resumidamente, várias formas de energia eletromagnética ou mecânica podem ser varridas e economizadas como potência elétrica.

[0006] Dispositivos de varredura podem ser usados, por exemplo, em ciclos de corrente de 4-20 mA que são amplamente usados na indústria de controle de processo para propagar sinais analógicos entre dispositivos de campo e um Sistema de Controle Distribuído, ou DCS. De maneira geral, dispositivos de campo, tais como válvulas, posicionadores de válvula, ou comutadores, processam sinais de controle detectando corrente CC na faixa de 4-20 mA. Similarmente, dispositivos de campo responsáveis por fazer medições de parâmetros de processo, tais como sensores de pressáo, vazáo ou temperatura, geram sinais na faixa de 4-20 mA e propagam esses sinais a um CDS por um par dedicado de fios. Em alguns casos, pode ser desejável usar parte da potência no ciclo 4-20 para acionar um dispositivo adicional, tal como um transceptor de rádio, por exemplo. Ao mesmo tempo, é desejável limitar a queda de tensáo em um circuito de varredura que extrai potência de um ciclo 4-20 mA de

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3/29 maneira que o circuito de varredura não interfira no ciclo de corrente, e, mais especificamente, na sinalização entre um DCS e um dispositivo de campo.

[0007] Em virtude de um ciclo de corrente disponível poder suprir mais energia do que a necessária para acionar uma carga acionada pelo dispositivo de varredura, é também desejável coletar parte da excesso de potência e economizar esta excesso de potência em um dispositivo de armazenamento. Adicionalmente, é desejável ter o dispositivo para extrair a potência de volta para o armazenamento de potência quando o ciclo de corrente suprir menos energia que a exigida para operar uma carga acionada pelo dispositivo de varredura. Em outras palavras, é desejável aumentar a tensão suprida a um armazenamento de potência e reduzir a tensão suprida pela fonte de alimentação à carga acionada pelo dispositivo de varredura. Além disso, em virtude de a tensão através tanto dos terminais de armazenamento de potência quanto dos terminais de carga de potência poderem variar com o tempo, um conversor CC em CC é necessário. Versados na técnica perceberão ainda que este relacionamento pode ser invertido em algumas aplicações, e a tensão não precisaria ser aumentada e abaixada nas direções opostas entre um armazenamento de potência e uma carga acionada pelo dispositivo de varredura.

[0008] A fim de atender este objetivo usando a tecnologia disponível, o conjunto de circuitos correspondente exigiría pelo menos dois conversores CC em CC. Em particular, pelo menos um conversor redutor (ou de redução) e pelo menos um conversor de reforço (ou de aumento) seria necessário para regular devidamente a transferência de potência entre dois circuitos com variadas exigências e disponibilidade de energia. Claramente, o uso de CC em CC múltiplo aumenta a complexidade, o custo e a área de um circuito. Além disso, Conversores CC em CC convencionais produzem tensão constante e, portanto, perda de energia elétrica sempre que existir um excesso de potência no circuito.

[0009] Assim, os conversores conhecidos na tecnologia não fornecem um meio eficiente de coletar potência adicional disponível na entrada. Por exemplo, uma carga do dispositivo de varredura consumindo relativamente pouca potência fará com que o dispositivo de varredura extraia esta quantidade necessária de potência

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4/29 no terminal de entrada, independente da real capacidade do ciclo de corrente. Exatamente como o consumo de potência nos terminais de saída pode ser excessivo e pode perturbar o ciclo de corrente, o consumo de muito pouca potência é indesejável em virtude de esta abordagem não conseguir utilizar eficientemente o ciclo de corrente. Além disso, pode haver casos quando a corrente de alimentação cai significativamente e a carga do dispositivo de varredura não pode receber potência suficiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0010] Um conversor CC em CC bidirecional para varrer, armazenar e liberar energia em um circuito com potência limitada transfere eficientemente o excesso de potência elétrica disponível no circuito para um dispositivo de armazenamento e supre a potência ao circuito. Em um aspecto, o circuito inclui uma fonte de potência e uma carga de potência. Em algumas modalidades, o conversor inclui um par de terminais de entrada que conecta o conversor no circuito, um par de terminais de saída que conecta o conversor no dispositivo de armazenamento, um indutor para armazenar corrente ou um outro elemento capaz de acumular energia elétrica, dois comutadores elétricos que controlam a direção de corrente e acúmulo de potência no conversor, e um circuito de controle que opera as dois comutadores para variar o ciclo de trabalho de corrente do indutor. A este respeito, o conversor CC em CC bidirecional fornece pulsos PWM (Modulação por Largura de Pulso) a um conjunto de circuitos correspondente.

[0011] Em um outro aspecto, o conversor CC em CC bidirecional aumenta a eficiência de um circuito, maximizando o uso de potência disponível. Também em um outro aspecto, o conversor bidirecional é capaz de direcionar a energia armazenada para um circuito a uma maior velocidade do que a potência é varrida do circuito. Em uma modalidade, o conversor CC em CC bidirecional recebe sinais de controle de um conjunto de circuitos analógico dedicado que gera pulsos PWM. Em uma outra modalidade, o conversor CC em CC bidirecional é controlado por um microcontrolador acoplado a um dispositivo acionado por meio do conversor CC em CC bidirecional.

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5/29 [0012] Adicionalmente, o método de varredura de potência em um ciclo de corrente envolve inserir um dispositivo de varredura em série com uma fonte de potência e um dispositivo de consumo de potência, regular a queda de tensão através dos terminais de entrada do dispositivo de varredura, e prover potência nos terminais de saída disponível pela queda de tensão controlada e a corrente do ciclo. Em particular, a queda de tensão através do dispositivo de varredura é regulada por meio de um circuito de realimentação que gera um sinal de tensão de entrada e um circuito regulador usando o sinal de tensão de entrada para controlar o sincronismo de carga e descarga de um indutor. O circuito regulador pode ser um conversor CC em CC convencional ou um circuito com diversos componentes discretos tais como comparadores.

[0013] Em algumas modalidades, a fonte de potência é uma fonte de corrente ou tensão variável. Em uma modalidade, o dispositivo de varredura é um conversor CC em CC que usa um conjunto de circuitos de realimentação para regular a tensão de entrada. Em uma modalidade, o conversor CC em CC regulado na entrada mantém uma tensão substancialmente constante através dos terminais de entrada. Em uma outra modalidade, o conversor CC em CC regulado na entrada ajusta a tensão através dos terminais de entrada de acordo com a corrente de entrada de forma que mais potência disponível seja varrida quando a corrente do ciclo for baixa. Em uma outra modalidade, o conversor CC em CC regulado na entrada inclui adicionalmente um transformador de isolamento na saída a fim de impedir que energia seja transferida de volta para os terminais de entrada em uma condição de falha. A este respeito, o uso de uma transformação de isolamento melhora a Segurança Intrínseca do dispositivo de varredura. Em uma outra modalidade, o conversor CC em CC regulado na entrada fornece adicionalmente uma função de filtro de linha a fim de aumentar a impedância no ciclo de corrente e assim permitir modulação através do ciclo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS [0014] A figura 1 é uma representação esquemática de um circuito no qual um conversor CC em CC bidirecional pode ser utilizado.

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6/29 [0015] A figura 2 é um diagrama elétrico ilustrando um conversor CC em CC bidirecional em uma possível configuração de circuito.

[0016] A figura 3 é uma representação esquemática de um circuito no qual um conversor CC em CC bidirecional da presente revelação funciona em cooperação com um circuito de detecção de tensão.

[0017] A figura 4 é uma forma de onda exemplar ilustrando variações na tensão através de um dispositivo típico usado em um ciclo de 4-20 mA em função do tempo. [0018] A figura 5 é um diagrama elétrico ilustrando um possível circuito para gerar sinais de Modulação por Largura do Pulso para uso com um conversor CC em CC bidirecional da presente revelação.

[0019] A figura 6 é uma representação esquemática de um circuito no qual um conversor CC em CC regulado na entrada usado como um dispositivo de varredura de potência pode ser utilizado para coletar excesso de potência.

[0020] A figura 7 é uma representação esquemática de um conversor CC em CC regulado na entrada.

[0021] A figura 8 é um diagrama elétrico ilustrando um conversor CC em CC regulado na entrada em uma possível configuração de circuito.

[0022] A figura 9 é um diagrama elétrico de um conversor CC em CC regulado na entrada com queda de tensão dependente de corrente inversa.

[0023] A figura 10 é uma ilustração de formas de onda de corrente e tensão de entrada exemplares reguladas por um conversor consistente com uma das modalidades.

[0024] A figura 11 é um diagrama elétrico de um conversor CC em CC regulado na entrada com um transformador de isolamento usado para limitar energia de Segurança Intrínseca (IS).

[0025] A figura 12 é uma representação esquemática de um conversor CC em CC regulado na entrada com características de filtro integral.

[0026] A figura 13 é um diagrama elétrico de um conversor CC em CC regulado na entrada com característica de filtro integral incluindo um circuito de comunicação HART.

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7/29 [0027] A figura 14 é uma representação esquemática de um circuito no qual um conversor CC em CC bidirecional funciona em cooperação com um conversor CC em CC regulado na entrada e um circuito de regulagem de tensão.

[0028] A figura 15 é uma representação esquemática de um circuito no qual um conversor CC em CC bidirecional funciona em cooperação com um conversor CC em CC regulado na entrada e um controlador inteligente.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0029] A figura 1 ilustra esquematicamente um circuito 10 no qual um conversor CC em CC bidirecional pode ser usado. Uma fonte de alimentação 12 supre potência elétrica a uma carga de potência 14. A quantidade de potência disponível no circuito 10 não pode ser previsível a todo momento. Em particular, demandas de potência da carga 14 podem mudar com o tempo. Adicionalmente, a quantidade de energia disponível na fonte de alimentação 12 pode não permanecer constante e pode similarmente variar com o tempo. Um conversor CC em CC bidirecional 16 pode ser conectado em série com a fonte de alimentação 12 e a carga 14. O conversor bidirecional 16 pode ter um terminal de entrada positivo 18 e um terminal de entrada negativo 20. Adicionalmente, o conversor bidirecional 16 pode ter um par de terminais de saída 22.

[0030] Em operação, o conversor CC em CC bidirecional 16 extrai o excesso de potência dos terminais de entrada 12 e 16 e direciona o excesso de potência para um dispositivo de armazenamento de potência 24 por meio da saída 22. Ao contrário, quando a carga 14 exige mais potência do que pode ser suprida pela fonte de alimentação 12, o conversor bidirecional 16 extrai potência do dispositivo de armazenamento de potência 24 e envia a potência armazenada ao circuito 10 por meio dos terminais de entrada 12 e 16.

[0031] A fonte de alimentação 12 pode ser uma bateria, um gerador ou qualquer outra fonte de alimentação conhecida na tecnologia. A carga de potência 14 pode ser um motor, um sensor ou qualquer outro dispositivo. De um modo geral, o circuito 10 pode conter vários dispositivos consumidores de potência caracterizados por diferentes exigências de potência.

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8/29 [0032] Referindo-se à figura 2, um circuito 50 correspondente a uma possível implementação do conversor bidirecional 20 pode incluir um terminal de entrada positivo 52 e um terminal de entrada negativo 54. Quando excesso de potência está disponível nos terminais de entrada 52 e 54, um sinal PWM redutor 56 pode controlar a potência disponível na entrada e direcionar esta potência para um armazenamento de potência 24 conectado no circuito 50 por meio dos terminais de saída 58 e 60. Neste estágio da operação do conversor bidirecional 16, a tensão no armazenamento de potência 24 pode ser, por exemplo, 1V, enquanto a tensão nos terminais de entrada 52 e 54 pode ser 3B. O valor LIGADO do sinal PWM 56 pode fazer com que um comutador 70 conecte a entrada 52 a um terminal positivo 72 de um indutor 74. Mais especificamente, a corrente pode passar do terminal 52 através de uma conexão 76 para o terminal 72. Um sinal PWM de reforço 80 nesse ínterim permanecerá no estado DESLIGADO e manterá um comutador 82 em um estado desconectado. A diferença de tensão de 2V (3V - 1V), para continuar com o exemplo dado anteriormente, será aplicada através do indutor 74 e fará com que o indutor 74 acumule corrente.

[0033] No estado DESLIGADO do PWM 56, o comutador 70 está em um estado desconectado. A corrente pode passar através de um diodo EMF 84 na direção do terminal de entrada 72 do indutor 74. O diodo EMF 84 pode ser conectado no terra a fim de puxar corrente adicional não suprida na entrada e assim aumentar a eficiência geral do circuito 50. Como versados na técnica percebem, a corrente continuará passar até que o campo magnético colapse e a força eletromotriz (EMF) desapareça completamente. Desta maneira, a energia pode ser transferida para o armazenamento de potência de uma maneira controlada. Em outras palavras, uma maior tensão disponível nos terminais de entrada do circuito 50 é aplicada na forma de um PWM, ou ciclo de trabalho parcial, a uma entrada de tensão inferior de um dispositivo de armazenamento.

[0034] Referindo-se novamente à figura 1, a carga de potência 14 pode, até um certo ponto, exigir mais tensão do que a fonte de alimentação 12 pode suprir. Se o armazenamento de potência 24 armazenar energia suficiente, o conversor CC em

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CC bidirecional 16 pode transferir a potência necessária do armazenamento de potência 24 para a carga de potência 14 e assim permitir que o circuito 10 continue operando. Referindo-se novamente à figura 2, a tensão através dos terminais de saída 58 e 60 pode ainda estar a 1V, enquanto a exigência de tensão através dos terminais de entrada 52 e 60 pode permanecer em 3V, ou perto disso. Neste estado, o sinal PWM redutor 56 pode permanecer no estado DESLIGADO enquanto o sinal PWM de reforço não pode operar o comutador 82 para abrir e fechar ciclicamente a conexão.

[0035] Em particular, o estado LIGADO de PWM 80 pode fechar o comutador 82. Quando o comutador 82 é fechado, o terminal positivo 72 do indutor 74 efetivamente conectará no terra. Isto fará com que a corrente comece acumular no indutor 74. Quando a PWM 80 mudar para o estado DESLIGADO, a corrente passará do terminal 58 do dispositivo de armazenamento de potência 24, através de um diodo supressor 86, e para o terminal 52. Assim, a energia economizada no armazenamento de potência 24 pode ser eficientemente transferida de volta para a carga de potência 14.

[0036] Os sinais PWM 56 e 80 podem operar de acordo com a tensão detectada através dos terminais 52 e 54 ou através da carga de potência 14, por exemplo. Resumidamente, qualquer sinal indicativo das demandas de tensão no circuito 10 pode ser usado para regular a operação do circuito 50 por meio dos sinais PWM 56 e 80.

[0037] Versados na técnica também percebem que um comutador eletrônico pode ser um Transistor de Efeito de Campo Semicondutor de Óxido de Metal (MOSFET), um tipo diferente de um transistor, ou qualquer outro dispositivo de comutação eletrônica de alta frequência conhecido na tecnologia.

[0038] Um arranjo exemplar incluindo um circuito de detecção de tensão está ilustrado na figura 3. Um circuito 100 é similar ao circuito 10 com a exceção de um circuito de detecção de tensão 102. O circuito 102 pode medir a tensão através da carga de potência 14 e suprir sinais 104 e 106 ao conversor bidirecional 16. Em uma modalidade possível, os sinais 104 e 106 podem ser os sinais PWM 56 e 80.

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Alternativamente, o circuito de detecção de tensão 102 pode não ter uma capacidade de oscilação e pode produzir sinais de tensão simples. Neste caso, o conversor bidirecional 16 pode acionar os pulsos PWM 56 e 80 mediante processamento dos sinais 104 e 106 usando conjunto de circuitos adicional (não mostrado). Também em uma outra modalidade, o circuito de detecção de tensão 102 pode detectar mudanças de tensão através de todo o circuito 100 ou, em outras palavras, através tanto da carga de potência 14 quanto do conversor 16.

[0039] Em uma possível implementação, dos valores limiares podem ser selecionados em vista das exigências específicas da carga 14 ou de todo o circuito 100. Por exemplo, a carga 14 pode em geral exigira 3B para ser operada, mas pode ser ainda operacional em qualquer valor na faixa de 2,7 - 3,3V. Assim, o circuito de detecção de tensão pode ser construído para detectar mudanças na tensão através da carga de potência 14 e acionar os dois sinais PWM de forma correspondente. Uma forma de onda 120 na figura 4 ilustra uma mudança exemplar de tensão através de um ou mais elementos do circuito em função do tempo. Como mostrado, a tensão real detectada pelo circuito 102 pode variar na faixa de 2,7 - 3,3 V, enquanto a tensão visada neste exemplo pode ser 3B. O conversor bidirecional 16 garante, sempre que possível, que a tensão nem excede o limite superior nem cai abaixo do limite inferior. Obviamente, tensão excessiva pode causar danos a um ou mais dispositivos no circuito 100, enquanto tensão insuficiente pode impedir que o circuito 100 opere.

[0040] Com referência às figuras 2 e 4, as regiões 122 correspondentes aos períodos de tempo quando a tensão detectada excede os 3V visados são associadas com o modo redutor do circuito 50. Como discutido antes, no modo redutor, o PWM 56 controla o comutador 70 a fim de regular a transferência do excesso de potência para o dispositivo de armazenamento 24. Por outro lado, as regiões 124 correspondentes aos períodos de tempo quando a tensão detectada cai abaixo dos 3V visados são associadas com a transferência de potência do armazenamento de potência 24 de volta para o circuito 10 ou 100. Neste modo de operação, o PWM 80 aciona o comutador 82 no modo de reforço.

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11/29 [0041] A figura 5 ilustra uma implementação exemplar de um circuito PWM analógico adaptado para prover os pulsos PWM em resposta a mudanças de tensão através dos terminais 152 e 154. Os terminais 154 e 156 podem ser conectados através de uma ou mais cargas de potência 14 e possivelmente através da fonte de alimentação 12 igualmente. Percebe-se que os valores de resistores podem ser selecionados de acordo com as exigências específicas do circuito, tal como a faixa de tensões toleráveis, por exemplo, e de acordo com o tipo de conexão selecionada para o circuito PWM 150. O circuito PWM 150 pulsa uma pequena quantidade de corrente para controlar os comutadores 70 e 82. Assim, as duas saídas do circuito 150 são os fios de controle 156 e 158. Uma linha pontilhada 160 é adicionalmente representada para indicar esquematicamente o limite dos circuitos 150 e 50.

[0042] Percebe-se adicionalmente aqui que várias outras implementações do circuito PWM 150 são possíveis. Por exemplo, o circuito PWM pode ser implementado combinando-se diversos microchips disponíveis ou todo o circuito pode ser implementado como um Circuito Integrado Específico da Aplicação (ASIC) simples.

[0043] É também contemplado que um microcontrolador possa ser usado para gerar os pulsos PWM necessários. Como discutido anteriormente, um conversor CC em CC bidirecional pode ser usado com propósitos de varredura de potência em um ciclo de controle de 4-20 mA típico na indústria de controle de processo, por exemplo. Em particular, um conversor CC em CC bidirecional pode ser controlado de uma maneira tal a direcionar excesso de potência disponível em um ciclo de 4-20 mA para um supercapacitor, por exemplo. Um dispositivo adicional, tal como um rádio controlado por microcontrolador, pode ser um dos consumidores desta potência varrida. Embora um circuito PWM 150 possa ser usado para controlar a transferência de potência entre o rádio e o dispositivo de armazenamento, pode ser prudente utilizar o microcontrolador em substituição. Em virtude de o microcontrolador ser tipicamente a par de quanta potência o rádio exige em um dado momento, o microcontrolador pode gerar os sinais PWM 56 e 80 de acordo com essas demandas instantâneas. Em uma modalidade possível, o microcontrolador

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12/29 pode direcionar o conversor bidirecional 16 por meio do sinal PWM de reforço 80 para extrair potência do dispositivo de armazenamento 24 quando o rádio estiver transmitindo. Ao contrário, o microcontrolador por ativar o sinal PWM 56 quando o rádio estiver ocioso.

[0044] Adicionalmente, o microcontrolador pode prever mudanças no consumo de potência do rádio em uma pequena quantidade de tempo, tais como microssegundos. Por exemplo, o microcontrolador pode direcionar o conversor bidirecional para começar extrair potência quando uma condição específica do dispositivo que exige consumo de potência for detectada a fim de minimizar o atraso antes do início da transmissão. Mais especificamente, um sensor que opera em um ambiente de controle de processo pode detectar uma anormalidade tal como pressão excessiva ou temperatura insuficiente, por exemplo, e o microcontrolador pode preparar efetivamente o rádio para transmissão, enviando um sinal PWM correspondente ao controlador bidirecional.

[0045] Como também uma outra alternativa, o microprocessador pode enviar sinais simples indicativos da tensão exigida, enquanto um outro circuito, tanto provido como parte do conversor CC em CC bidirecional quanto como um componente separado, pode usar este sinal para gerar os pulsos PWM apropriados. Neste sentido, o microprocessador pode ser programado com uma lógica mais simples a fim de permitir que o rádio retenha mais da potência de processamento com propósitos relacionados ao rádio.

[0046] Certamente, o microcontrolador pode também estabelecer múltiplos níveis de demanda de potência. Por exemplo, o microcontrolador pode enviar pulsos PWM de reforço mais amplos quando se souber que o rádio consome grandes quantidades de potência no estado de transmissão, pulsos PWM de reforço mais curtos quando se souber que o rádio consome potência moderada no estado de recepção, e pulsos PWM redutor amplos quando o rádio estiver ocioso e assim consumir pouca ou nenhuma potência.

[0047] Em um outro aspecto, um conversor CC em CC bidirecional pode ser usado em um circuito que inclui um conversor CC em CC regulado na entrada

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13/29 adaptado para varredura de potência elétrica e, em particular, para varredura de potência em um circuito caracterizado por corrente CC variável. A figura 6 é uma representação esquemática de um sistema no qual o dispositivo de varredura de potência regulada na entrada pode ser usado para coletar eficientemente excesso de potência de um ciclo de corrente e direcionar o excesso de potência para uma carga, um dispositivo de armazenamento, ou ambos. Como ilustrado na figura 6, um ciclo ou circuito de corrente 210 inclui um Sistema de Controle Distribuído (DCS) 212, um dispositivo de campo 214 e um dispositivo de varredura de potência 216 conectado em série com o dispositivo de campo 214. Esses e outros elementos de circuito ilustrados na figura 6 são conectados por fio.

[0048] Em operação, o DCS 212 e o dispositivo de campo 214 enviam e recebem sinais analógicos de 4-20 mA de uma maneira imprevisível ao dispositivo de varredura 216 implementado com um conversor CC em CC regulado na entrada. Em outras palavras, da perspectiva do dispositivo de varredura 216, a corrente no ciclo 210 pode variar descontroladamente com o tempo na faixa de 4 a 20 mA. O dispositivo de varredura de potência 216 é conectado no ciclo 210 em série através de um par de terminais de entrada 218, com um dos contatos do par 218 conectando diretamente no terminal positivo do DCS 212 e ou outro contato conectando diretamente na entrada positiva do dispositivo de campo 214. Entretanto, o dispositivo de varredura 216 pode em vez disso ser conectado nos respectivos terminais negativos do DCS 212 e no dispositivo de campo 214. Durante operação, o dispositivo de varredura de potência 216 cria uma queda de tensão regulada através dos terminais de entrada 218. O dispositivo de varredura 216 pode manter a tensão a um nível constante e assim variar o consumo de potência nos terminais de entrada 218 linearmente com a corrente passando através do dispositivo de varredura 216. O dispositivo de varredura 26 pode então transferir a potência coletada dos terminais de entrada 218 para um ou mais dispositivos ou circuitos conectados na saída do dispositivo de varredura 216. Em uma outra modalidade, o dispositivo de varredura 216 pode regular a tensão de entrada de acordo com a corrente que passa através do dispositivo de varredura 216. Em

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14/29 particular, o dispositivo de varredura 216 pode aumentar a queda de tensão através dos terminais de entrada 218 à medida que a corrente através do dispositivo de varredura 216 diminui.

[0049] A carga acionada pelo dispositivo de varredura 220 pode ser conectada no dispositivo de varredura de potência 216 através de um par de terminais de saída 222. A carga do dispositivo de varredura 220 pode ser qualquer tipo de dispositivo que consome potência, tanto potência constante quanto variável. Por exemplo, a carga do dispositivo de varredura 220 pode ser um elemento elétrico simples caracterizado por consumo de potência constante tal como um diodo emissor de luz (LED), por exemplo, ou um dispositivo complexo com demandas de potência variáveis tal como um transceptor de rádio. Percebe-se também que, embora somente uma carga acionada pelo dispositivo de varredura esteja mostrada na figura 6, o dispositivo de varredura de potência 216 pode suprir potência a múltiplas cargas com diferentes características de consumo de potência.

[0050] O dispositivo de varredura 216 pode também ser conectado a um armazenamento de potência 224. O armazenamento de potência 224 pode ser, por exemplo, um supercapacitor simples, um conjunto de circuitos relativamente complexo envolvendo diversos capacitores conectados em paralelo, ou qualquer outro tipo adequado de um armazenamento de potência, incluindo aqueles conhecidos na tecnologia. Como versados na tecnologia perceberão, um capacitor pode ser usado como um dispositivo de armazenamento de potência em virtude de a tensão através de um capacitor aumentar à medida que a corrente chega no capacitor. Um capacitor de alta densidade, ou um supercapacitor, é capaz de armazenar uma alta quantidade de carga, e pode assim ser preferível como um dispositivo de armazenamento de potência.

[0051] Adicionalmente, um regulador de derivação ajustável 226 pode ser conectado através do par de terminais de saída 222 em paralelo com a carga acionada pelo dispositivo de varredura 220 e o armazenamento de potência 224. O regulador de derivação 226 pode ser usado para dissipar potência desnecessária se a carga acionada pelo dispositivo de varredura 220 não consumir toda a potência

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15/29 disponível nos terminais de saída 222. O regulador de derivação 226 pode ser necessário se o armazenamento de potência 224 não for provido. Em outras modalidades, pode ser preferível não usar de maneira nenhuma um regulador de derivação no ciclo 210 e economizar todo o excesso de potência dos terminais de saída 222 no armazenamento de potência 224. O regulador de derivação ajustável 226 pode ser implementado de qualquer maneira conhecida na tecnologia, tal como, por exemplo, usando um diodo zener e um ou diversos resistores.

[0052] Como também uma outra opção, um capacitor 228 pode ser conectado através dos terminais de saída 222 a fim de filtrar a tensão de entrada. Em virtude de a saída do dispositivo de varredura de potência 216 não ser regulada, o capacitor 228 pode ser usado para suavizar a tensão de saída, particularmente se uma carga acionada pelo dispositivo de varredura 220 estiver presente no circuito 210. Neste sentido, o capacitor 228 pode ser parte de um conjunto de circuitos de pósregulagem. Entretanto, o capacitor 228 pode não ser necessário se o dispositivo de varredura de potência 216 suprir potência basicamente ao dispositivo de armazenamento de potência 224. De fato, o aspecto não regulado da saída nos terminais 222 pode realmente ser desejável se a potência nos terminais de saída 222 for transferida para um armazenamento de potência 224.

[0053] Nesse ínterim, um capacitor de filtro de entrada 230 conectado através dos terminais de entrada 218 no dispositivo de varredura de potência 216 pode servir para filtrar o ruído de entrada. Como versados na técnica percebem, um capacitor de filtro de entrada é necessário na entrada de qualquer circuito CC em CC. A capacitância do capacitor do filtro de entrada 230 é função da frequência operacional do conversor CC em CC usado no dispositivo de varredura de potência 216. Adicionalmente, a tensão através dos terminais de entrada 218 pode ser presa com grampo a fim de impedir que uma falha no dispositivo de varredura 216 interrompa o fluxo de corrente no ciclo 210. Por exemplo, um diodo zener 232 pode ser usado para garantir que, se a tensão através dos terminais de entrada 218 subir acima de um certo limite, o diodo romperá e a corrente passará na direção do dispositivo de campo de 4-20 mA 214. Versados na técnica perceberão que o limite

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16/29 é determinado pelas propriedades físicas do diodo selecionado.

[0054] Os capacitores 228 e 230, o regulador de derivação 226 e o diodo zener 232 podem ser incluídos no dispositivo de varredura de potência 216. Dependendo do campo de aplicação visado, o dispositivo de varredura de potência pode ser adaptado para regular a tensão de saída por meio de um circuito de derivação 226, ou para direcionar toda a potência disponível para um dispositivo de armazenamento de potência 224. É contemplado que diversas configurações, com alguns dos componentes ilustrados na figura 6 omitidos, e alguns componentes adicionais incorporados de acordo com a aplicação desejada, podem ser colocados nos Circuitos Integrados Específicos da Aplicação (ASICs). Alternativamente, o dispositivo de varredura 226 pode ser provido como um ASIC separado que pode então ser usado em qualquer configuração aqui discutida. Como também uma outra alternativa, partes do conjunto de circuitos do dispositivo de varredura de potência podem ser fabricadas como um chipe separado que funciona em cooperação com um conversor CC em CC convencional.

[0055] A figura 7 ilustra o dispositivo de varredura de potência 216 com mais detalhes. De acordo com este esquema exemplar, a corrente entra no dispositivo de varredura de potência 216 no terminal positivo 240 do par de terminais de entrada 218 e sai pelo terminal negativo 242. Depois de entrar por meio do terminal positivo 240, a corrente passa para o terminal positivo do indutor 244. Adicionalmente, uma parte relativamente pequena da corrente passa para o circuito de regulagem de entrada 246. A mesma quantidade de corrente, ou substancialmente a mesma quantidade de corrente que entra pelo terminal positivo 240 sai pelo terminal negativo 242. Nesse ínterim, o conjunto de circuitos implementado de acordo com os preceitos da presente revelação e discutidos com detalhes a seguir mantém uma queda regulada através dos terminais 240 e 242. Por exemplo, a queda de tensão através dos terminais 240 e 242 de um dispositivo de varredura usado em um ciclo de corrente de 4-20 mA pode ser mantida a 1V constante.

[0056] Referindo-se ainda à figura 7, um conversor CC em CC de reforço 250 regula a quantidade de tempo que o indutor 244 acumula corrente. O controlador

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250 pode ser um chip fora de prateleira tal como um Semicondutor NCP1421 ou um circuito montado de diferentes componentes IC discretos capazes de realizar uma função de comutação de alta frequência e regular o ciclo de trabalho de um circuito comutado de acordo com um sinal de realimentação. Em particular, o controlador pode usar um ou mais Transistores de Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido de Metal (MOSFET), por exemplo, para abrir e fechar rapidamente conexões elétricas. O controlador ajusta o sincronismo entre a abertura e fechamento das conexões de acordo com os parâmetros dos componentes do circuito de oscilação usados no controlador e no sinal de realimentação, tal como corrente ou tensão. Neste sentido, o controlador 250 pode prover Modulação por Largura de Pulso (PWM) com um ciclo de trabalho controlado ao conjunto de circuitos do dispositivo de varredura de potência 216. Percebe-se que a funcionalidade de comutação pode também ser implementada usando semicondutores discretos, circuitos integrados OTS ou outros componentes e materiais conhecidos na tecnologia.

[0057] Como ilustrado na figura 7, o controlador 250 é equipado com um pino de ligação 252, um pino de realimentação 254, um pino de saída 256 e um pino terra 258. Percebe-se que o controlador 250 pode ter entradas adicionais e não está limitado aos quatros pintos supralistados. Como ilustrado na figura 7, o pino de ligação 252 é eletricamente conectado no terminal negativo do indutor 244, o pino de saída é conectado a um dos terminais de saída 222 e o pino terra 252 é eletricamente conectado no terminal oposto do par de terminais 222 e no terminal de entrada negativo 242. Adicionalmente, o pino de realimentação 254 é conectado na saída do circuito de regulagem de entrada 246.

[0058] Durante cada ciclo de operação, o controlador 250 primeiro conecta eletricamente a entrada do pino de ligação 252 no pino terra 258. Enquanto os pinos 252 e 258 estão conectados, a corrente se acumula no indutor 244. Em seguida, o controlador 250 desconecta os pinos 252 e 258. O colapso do campo magnético no indutor 244 empurra a corrente do indutor 244 para o lado positivo do par de terminais de saída 222. Adicionalmente, o terminal negativo do indutor 244 pode ser conectado tanto no pino de ligação 252 quanto no lado positivo do par de terminais

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18/29 de saída 222 por meio de um diodo supressor 260. O diodo supressor 260 é preferivelmente um diodo Schottky, mas pode também ser um tipo diferente de diodo. O diodo supressor 260 fornece retificação síncrona à saída do indutor 244.

Entretanto, se o controlador 250 já for capaz de retificação síncrona, pode não ser necessário um diodo supressor.

[0059] Continuando com referência à figura 7, parte da corrente que entra no dispositivo de varredura 216 no terminal 240 é direcionada para o circuito de regulagem de tensão de entrada 246. O circuito 246 pode gerar um sinal de tensão indicativo da intensidade da corrente no terminal de entrada 240. O controlador 250 usa o sinal gerado pelo circuito de regulagem 246 a fim de aumentar ou diminuir seletivamente a produção de potência no par de terminais de saída 222. Por exemplo, o controlador 250 pode aumentar o ciclo de trabalho dos pulsos e assim reduzir a tensão de entrada através do par de terminais 218 em resposta ao nível de tensão detectado pelo circuito 246. A implementação do circuito 246 é discutida com mais detalhes a seguir.

[0060] A figura 8 ilustra um diagrama elétrico de uma possível modalidade de um dispositivo de varredura de potência 270. Nesta configuração, o dispositivo de varredura de potência 270 incorpora tanto um diodo 232 para alinhar a tensão em um nível desejado quanto um filtro de entrada 230. Essencialmente, na configuração representada na figura 8, a tensão de saída é controlada pelo circuito de derivação 226. Como indicado antes, esta configuração pode ser usada se um conversor CC em CC regulado na entrada for usado para acionar uma carga que exige uma tensão constante. O circuito de derivação 226 dissipará o excesso de potência e garantirá que a carga de potência não recebe mais potência do que é necessário.

[0061] O circuito de regulagem da tensão de entrada 246 inclui um amplificador operacional 272 e resistores 274 e 276. O amplificador 272 pode usar a tensão de referência 278 na sua entrada de não inversão e a tensão variável na sua entrada de inversão para controlar o relacionamento entre a tensão de entrada através dos terminais 240 e 242 e a tensão suprida no pino de realimentação 254. Versados na técnica percebem que os valores dos resistores 274 e 276 podem ser selecionados

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19/29 de acordo com a queda de tensão desejada. Como discutido anteriormente, em um ciclo de 4-20 mA típico, tal como um usado na indústria de controle de processo, uma queda de tensão de 1V através da unidade de varredura 216 ou 272 é normalmente tolerável. Similarmente, resistores 278 e 280 usados no circuito de derivação 226 podem ser selecionados de acordo com a saída de tensão desejada. [0062] A figura 9 ilustra uma outra modalidade contemplada de um conversor CC em CC regulado na entrada que pode ser usado para varredura de energia. Um circuito de varredura de energia 290 pode incluir a maioria dos elementos do dispositivo de varredura de potência 270 supradiscutidos. Adicionalmente, o dispositivo de varredura de energia pode regular a tensão de entrada de uma maneira mais eficiente e prática do que o dispositivo de varredura 270. Em particular, o ciclo de controle 210 pode sofrer menores quedas de tensão através dos vários elementos do circuito tal como o dispositivo de campo 214 quando a corrente no ciclo 210 é menor. No caso de um circuito de 4-20 mA usado na indústria de controle de processo, por exemplo, o DCS 212 perceberá uma menor queda de tensão através do ciclo quando ele gera um sinal de 4 mA e, ao contrário, o DCS 212 perceberá uma maior tensão quando o sinal analógico estiver mais próximo ou igual ao nível de 20 mA. Similarmente, um dispositivo de campo tal como o dispositivo 214 tipicamente perceberá uma queda de tensão menor ou maior através do DCS 212 quando o dispositivo de campo gerar, em vez de receber, um sinal de 4-20 mA. Assim, o ciclo 210 pode tolerar maiores quedas de tensão através do circuito de varredura 216, 270 ou 290 a menores correntes no ciclo.

[0063] O dispositivo de varredura de potência 290 ilustrado na figura 9 extrai mais potência do par de terminais de entrada 218 a menores correntes de entrada que entram no dispositivo de varredura 290 através do terminal 240 do que o dispositivo de varredura 270, por exemplo, em virtude de o dispositivo 290 tem maior queda de tensão através do par de terminais 218. Claramente, este recurso pode ser desejável se a carga acionada pelo dispositivo de varredura 220 tiver altas exigências de potência. Em particular, um circuito de regulagem 291 incluindo o amplificador 272, um componente limitador de ganho ou resistor 292, e resistores

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294-300 regula a tensão através do par de terminais 218 de forma que a tensão de entrada varie inversamente com a corrente de entrada detectada pelo circuito 291. Os elementos 292-300, bem como a tensão de referência 302 são selecionados e conectados de uma maneira que gera um maior sinal de realimentação pelo circuito de regulagem 291 para o pino de realimentação 254 quando a corrente de entrada for maior. Neste sentido, o dispositivo de varredura 290 utiliza a impedância negativa do circuito de regulagem 291. Assim, em resposta a um maior sinal no pino de realimentação 254, o controlador 250 reduzirá o ciclo de trabalho do PWM e assim reduzirá a quantidade de potência bombeada para os terminais de saída 222. Similarmente aos dispositivos de varredura de potência 216 e 270, o dispositivo de varredura 290 regula a tensão de entrada independente da saída do dispositivo de varredura 290.

[0064] Percebe-se adicionalmente que o relacionamento inverso entre a tensão da corrente de entrada suprida ao pino de realimentação 254 pode ser implementada por outros meios conhecidos na tecnologia. Na modalidade ilustrada na figura 9, por exemplo, o resistor 300 funciona como o sensor de corrente de saída em virtude de a corrente que retorna do dispositivo de varredura 290 para o terminal de saída 242 ter que passar pelo resistor 300. Entretanto, qualquer dispositivo conhecido para detectar a corrente pode ser similarmente usado para regular o pino de realimentação 254 do controlador 250 e assim variar a quantidade de potência extraída pelo dispositivo de varredura 290.

[0065] De maneira geral, é desejável selecionar os parâmetros dos elementos do circuito em vista da máxima queda de tensão tolerável. Por exemplo, é prudente selecionar os valores de resistência dos resistores 292-300 de acordo com a queda de tensão tolerável a 20 mA se o dispositivo de varredura 290 for destinado ao uso em uma indústria de controle de processo. A figura 10 ilustra uma entrada e tensão exemplares na entrada do dispositivo de varredura de potência 290 conectado em um ciclo de 4-20 mA em função do tempo. Em particular, a forma de onda 310 pode ser a corrente que passa pelo terminal de entrada 240 enquanto a forma de onda 320 pode ser a tensão através do par de terminais de entrada 218. Ambas formas de

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21/29 onda estão representadas em uma escala de tempo relativamente grande, tal como de segundos. Como ilustrado na figura 10, o relacionamento inverso entre a tensão de entrada e a corrente de entrada garante que a forma de onda 220 pareça uma imagem especular da forma de onda 310. Percebe-se também que a forma de onda 320 pode parecer tendo um atraso 322 relativo à forma de onda 310 que pode ser da ordem de micro ou mesmo nanossegundos. A unidade de varredura 290 mantém a queda de tensão na faixa de 1 -2 V em função da corrente de entrada apenas e independentemente das exigências de tensão ou potência nos terminais de saída 222.

[0066] Um outro aspecto desejável de operação de qualquer dispositivo de varredura é a segurança e, em particular, padrões de Segurança Intrínseca (IS) aceitos em muitas indústrias. De modo geral, certificação IS associada com um dispositivo impõe limitações de energia específicas neste dispositivo. Por exemplo, comunicadores HART manuais estão limitados a V_oc 2V < 32 mA, onde V_oc é a tensão máxima através do comunicador de Isc é a corrente máxima permitida através do comunicador. Os padrões IS associados com um comunicador HART podem ser usados como uma diretriz para projetar um dispositivo de varredura seguro para uso em um 4-20 mA em virtude de a provisão de potência ao circuito de comunicação HART ser um campo altamente provável de aplicação de varredura de potência.

[0067] Como discutido antes, conversores CC em CC de reforço conhecidos na tecnologia podem extrair muita potência dos terminais de entrada e interferir na operação do circuito do qual a potência está sendo varrida. Este tipo de interferência pode impedir que dispositivos recebam potência ou sinais propagados através do circuito. Por um lado, os conversores CC em CC convencionais podem também não conseguir conter a potência varrida em uma condição de falha e danificar o circuito pela libertação da energia de volta para o circuito, especialmente se a carga acionada recuperada for um capacitor ou um dispositivo de varredura de potência similar. Este tipo de falha pode ser mais perigosa do que sobre-extrair potência do circuito. Se usado na indústria de controle de processo, por exemplo, os conversores

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CC em CC de reforço convencionais podem carregar um alto risco operacional pelo menos em virtude de um ciclo de 2-40 mA poder conectar dispositivos explosivos ou de outra forma perigosos. Assim, picos súbitos na corrente do ciclo podem causar uma centelha, desencadeando assim uma explosão. Entretanto, atendendo-se os padrões de segurança supradiscutidos por qualquer dos meios convencionais inevitavelmente reduz a eficiência de potência de um conversor CC em CC de reforço.

[0068] Em virtude de um transformador regulada na entrada consistente com as modalidades aqui reveladas ser particularmente bem adequado para coletar potência para um dispositivo de varredura de potência, o atendimento das limitações de Segurança Intrínseca (IS) é claramente uma preocupação na implementação de um transformador como este. A figura 11 ilustra um transformador CC em CC regulada na entrada isolado 350 usado para varredura de potência em ciclo de corrente 210. O transformador CC em CC ou dispositivo de varredura de potência 350 fornece uma limitação de energia de falha por meio de um transformador de isolamento 355. Essencialmente, o transformador de isolamento 355 pode efetivamente substituir o indutor 244 além de garantir segurança operacional. Nesse ínterim, o conjunto de circuitos de comutação, tal como o controlador 250, trabalhando em cooperação com o regulador de realimentação 246, pode gerar Pulsos PWM da mesma maneira que na modalidade da figura 8, independente se a potência é suprida ao indutor 244 ou ao transformador de isolamento 355. As bobinas do transformador ligadas em um lado do circuito 357 do dispositivo de varredura 350 podem ser usadas para acumular corrente elétrica quando o pino de comutação 252 for ligado no pino terra 258, ao mesmo tempo induzindo a corrente oposta nas bobinas conectadas na um lado de carga 359. Em outras palavras, o transformador de isolamento 355 pode ser considerado um indutor com uma função adicional de uma blindagem eletrostática.

[0069] Referindo-se de volta à figura 8, existe um caminho de descarga direto da saída 222 de volta para a entrada 218 em uma condição de falha causada pelo curto circuito do diodo supressor 260. Adicionalmente, o conjunto de circuitos interno do

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23/29 controlador 250 pode similarmente criar um caminho virtualmente sem resistência entre a saída 222 e a entrada 218. Ao contrário, o transformador de isolamento 355 na modalidade ilustrada na figura 11 impede que energia seja transferida de volta para a entrada 218. Como versados na técnica reconhecem, um transformador de isolamento pode ser considerado à prova de falha com todos os propósitos práticos desde que seja selecionado o transformador adequado com as características de saturação do núcleo correspondentes.

[0070] Adicionalmente, a relação de bobina do transformador de isolamento 355 pode ser selecionada para prover adicionalmente uma transformação de tensão desejável em certas aplicações. Assim, em vez de usar o conjunto de circuitos adicional para regular a tensão suprida à carga de potência, o transformador de isolamento 355 pode prover um meio eficiente de controlar a tensão de saída. Além disso, o transformador pode ser construído com múltiplos enrolamentos a fim de prover múltiplas saídas, se exigido em uma aplicação particular.

[0071] Percebe-se adicionalmente que pode não ser necessário manter isolamento absoluto entre o lado do circuito de alimentação 357 e o lado da carga 359. Em particular, sinais de tensão ou potência de realimentação podem ser supridos pelo lado da carga 359 ao lado de alimentação 357 com propósitos de referência ou de regulagem adicional, desde que as conexões através do limite de isolamento incluam resistores infalíveis adequadamente dimensionados. Também, pode ser necessário limitar a potência transferida através do transformador na direção à frente, ou na direção do lado de alimentação 357 para o lado da carga 359. Essas limitações podem ajudar atingir os limites desejados na transferência de potência na direção oposta. Embora elementos que realizam essas funções não estejam mostrados na figura 11, nota-se aqui que essas limitações diretas podem ser alcançadas por um regulador em derivação conectado na entrada do transformador no lado de alimentação 357.

[0072] Continuando com referência à figura 11, diodos de bloqueio 362 podem ser adicionalmente conectados através dos terminais de entrada 218 para limitar a tensão na entrada do dispositivo de varredura de potência 350 a fim de estabelecer

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24/29 uma tensão máxima em condições de falha com propósitos de IS. Versados na técnica percebem que os diodos de bloqueio 362 não têm efeito no dispositivo de varredura 350 em modos de operação normal do dispositivo 350.

[0073] A figura 12 ilustra uma outra modalidade de um dispositivo de varredura de potência usando um conversor CC em CC regulado na entrada. Aqui, um ciclo de corrente 400 inclui um comunicador HART 402 além do DCS 212 e do dispositivo de campo 214 supradiscutido com referência à figura 6. O modulador HART 402 é conectado em paralelo com o dispositivo de campo 214 a fim de modular a tensão através do dispositivo de campo. Como é conhecido na tecnologia, a capacidade de modular tensão em um circuito depende da impedância do circuito. Em particular, baixa impedância do circuito exige que um circuito de modulação gaste uma grande quantidade de energia. Nesse ínterim, o DCS 212 poderia ser uma bateria com uma impedância muito baixa e assim um ciclo de corrente de 4-20 mA típico não é condutivo a comunicações HART. Portanto, é desejável aumentar a impedância do ciclo 400. Além disso, é desejável atender este objetivo sem usar dispositivos convencionais tais como um indutor em virtude de um indutor desviar a potência útil. Assim, embora possa ser possível aumentar a impedância do ciclo 400 com um indutor, pode não ser possível varrer potência bastante do ciclo 400 a fim de acionar o circuito de comunicação HART 402.

[0074] De acordo com uma modalidade ilustrada a seguir, o dispositivo de varredura de potência 216, além de prover potência à carga 220, parece como um indutor virtual 404 conectado em série com o dispositivo de campo 214. O indutor virtual 404 não é um dispositivo físico separado do dispositivo de varredura de potência 216. Em vez disso, uma modalidade particular do dispositivo de varredura 214 apresenta o dispositivo 214 ao circuito 400 como um indutor de forma que o circuito de comunicação HART 402 possa modular sinais pela rede do circuito 400. Adicionalmente, um capacitor 406 provê uma função de filtro a fim de suavizar mudanças súbitas na corrente que podem interferir na comunicação HART.

[0075] Um dispositivo de varredura de energia 450 ilustrado esquematicamente na figura 13 opera de uma maneira tal a controlar a taxa de mudança de corrente

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25/29 através do dispositivo de varredura de energia 450, criando assim impedância CA. Adicionalmente, o dispositivo de varredura de energia 450 reduz o nível de ruído e garante que o circuito 400 seja condutivo a modulação de tensão e, em particular, comunicação HART. Como ilustrado na figura 13, o dispositivo de varredura de potência pode acionar um circuito de comunicação HART 452 e pode, nesta modalidade particular, incluir o circuito de comunicação HART 452 como um componente integral.

[0076] Como ilustrado na figura 13, o capacitor 406 é conectado em paralelo com o dispositivo de campo 214 a fim de filtrar o ruído do ciclo. Entretanto, o capacitor 406 não precisa ser parte do dispositivo de varredura 450, e pode ser provido separadamente, como ilustrado na figura 12. Adicionalmente, um filtro de ruído de entrada 454 é conectado em série com o DCS 212 e o dispositivo de campo 214. Similarmente a outras modalidades aqui discutidas, a seleção do filtro de ruído de entrada 454 é função da frequência operacional do controlador 250, bem como da amplitude de ruído permissível nos terminais de entrada 218. Por exemplo, um capacitor de 1 pF pode ser usado como o filtro de entrada 454 em um ciclo de circuito de 4-20 mA com a queda de tensão permissível de ~ 1V e a saída de tensão para uma carga do dispositivo de varredura de ~ 3V. Entretanto, versados na técnica percebem que o filtro de entrada 454 nesta e em outras modalidades pode também ser consideravelmente maior.

[0077] O circuito de realimentação 455 funciona de uma maneira bastante similar à operação do circuito de realimentação 246 ilustrado na figura 8. Entretanto, o circuito de realimentação 455 inclui adicionalmente um capacitor 456, que acopla efetivamente um sinal indicativo da corrente que entra no dispositivo de varredura 450 na entrada de inversão do amplificador 272. Esta configuração provê uma característica dinâmica de limitar a taxa de mudança de uma corrente 458 através do dispositivo de varredura 450 e para o dispositivo de campo 214. Adicionalmente, a combinação do armazenamento de energia no capacitor 406 e a taxa limitada de mudança de corrente através do dispositivo de varredura 450 provêm uma função de filtro que pode isolar a comunicação do circuito de comunicação HART 452. A taxa

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26/29 limitada de mudança da corrente 458 através do dispositivo de varredura 450 funciona adicionalmente como uma impedância em série para a corrente do ciclo.

[0078] O dispositivo de varredura de energia 450 pode ser melhorado ainda mais alinhando a tensão nos terminais de entrada do dispositivo 450 por meio de um diodo de ruptura, por exemplo. Além disso, um transformador de isolamento similar ao transformador 355 ilustrado na figura 11 pode ser usado no lugar do indutor 244 para prover limitação de energia I.S. O transformador de isolamento usado no lugar do indutor 244 pode incluir adicionalmente uma configuração de bobina adequada para ajustar a tensão de saída. Versados na técnica percebem que vários aspectos das modalidades ilustradas nas figuras 6-13 podem ser combinados para atingir várias metas de aplicação.

[0079] Adicionalmente, o dispositivo de varredura 450 pode prover múltiplas saídas e pode manter cada tensão de saída em um nível diferente usando reguladores de derivação, por exemplo. A figura 13 ilustra uma configuração típica do regulador de derivação 226 que dissipa o excesso de potência provida a uma carga de potência conectada a um par de terminais de saída 460. Em virtude de um conversor CC em CC regulado na entrada coletar a potência disponível em uma dada entrada e a uma queda de tensão regulada, reguladores de tensão adicionais podem ser necessários para prover tensão regulada às cargas acionadas pelo dispositivo de varredura. É contemplado que a modalidade ilustrada na figura 13 pode prover potência a um transceptor de rádio, bem como a um circuito de comunicação HART. Adicionalmente, o excesso de potência pode ser armazenado em um dispositivo de armazenamento de potência, tal como o dispositivo 224, em vez de ser dissipado por um regulador de derivação.

[0080] É adicionalmente contemplado que a função do filtro do dispositivo de varredura 450 pode ser selecionável. Sendo possível desligar a funcionalidade de filtro quando ela não for necessária, usuários do dispositivo podem encontrar aplicações adicionais para um dispositivo de varredura aqui discutido.

[0081] Assim, como anteriormente discutido, o conversor CC em CC regulado na entrada de pelo menos algumas das modalidades mantém uma queda de tensão

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27/29 substancialmente constante através dos terminais de entrada e direciona a potência disponível na queda de tensão controlada para um par de terminais de saída. Dependendo das características do circuito incluindo tal conversor CC em CC regulado na entrada, a tensão nos terminais de saída do conversor CC em CC regulado na entrada pode variar durante operação e, em algumas aplicações, a variação pode não ser previsível para uma carga acionada pelo conversor CC em CC regulado na entrada.

[0082] Como um exemplo, a figura 14 ilustra esquematicamente um circuito 500 no qual um conversor bidirecional 502 regula a transferência de potência entre um dispositivo de armazenamento 504 e uma carga de tensão constante 506 acionada por um dispositivo de varredura de potência regulada na entrada 510 que produz tensão não regulada através de um par de terminais de saída 512. Neste exemplo, o circuito 500 inclui um ciclo de controle de 4-20 mA no qual um DCS 520 e um dispositivo de campo 524 comunicam por meio de sinais de 4-20 mA. O dispositivo de varredura de potência regulada na entrada 510 é conectado em série com o dispositivo de campo 524 para formar um ciclo de corrente 530 incluindo o DCS 520, o dispositivo de campo 524 e o dispositivo de varredura de potência 510. Em operação, o dispositivo de varredura de potência 510 coleta excesso de potência disponível no ciclo de corrente 530 ao mesmo tempo regulando a queda de tensão através dos terminais de entrada do dispositivo de varredura de potência 510. Em algumas modalidades, o dispositivo de varredura de potência 210 pode manter uma queda de tensão substancialmente constante a fim de não interromper a sinalização no ciclo 530. Em virtude de a corrente no ciclo 530 poder variar na faixa de 4-20 mA, o dispositivo de varredura de potência 510 pode extrair quantidades variáveis de potência disponível no ciclo 530 e prover a potência disponível a uma tensão não constante nos terminais de saída 512. Entretanto, a carga 506 acionada pelo dispositivo de varredura 510 pode exigir tensão constante para operar. Embora possa ser possível conectar os terminais de saída 512 do dispositivo de varredura de potência 510 a um regulador de derivação ajustável para dissipar o excesso de potência e manter assim uma tensão constante para uma carga acionada pelo

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28/29 dispositivo de varredura 506, reguladores em derivação e outros meios de dispor de energia extra claramente faltam eficiência.

[0083] Por outro lado, o conversor CC em CC bidirecional 502 conectado em série com os terminais de saída 512 do dispositivo de varredura de potência regulada na entrada 510 e com a carga 506 pode, em diferentes estágios de operação, tanto coletar eficientemente potência quando excesso de potência está disponível em um ciclo 540 (definido por pelo menos três módulos 502, 506 e 510) quanto compensar deficiências de potência no ciclo 540 redirecionando potência do armazenamento de potência 504 para a carga 506. Com esta finalidade, o conversor CC em CC bidirecional 502 pode operar de uma maneira similar à operação do conversor CC em CC bidirecional 16 supradiscutido, por exemplo.

[0084] Adicionalmente, um circuito de detecção de tensão 542 pode controlar a operação do conversor CC em CC bidirecional 502, medindo a queda de tensão através da carga 506 e correspondentemente suprindo sinais de controle ao conversor CC em CC bidirecional 502 por meio de linhas de controle 544 e 546. Em algumas modalidades, o circuito de detecção de tensão 542 pode ser similar ao circuito 102 supradiscutido com referência à figura 3. Alternativamente, o circuito de detecção de tensão 542 pode ser integral na carga 506 de forma que a carga 506 possa efetivamente controlar a direção e quantidade (por exemplo, como sincronismo de PWM) de transferência de potência através do conversor CC em CC bidirecional 502. De qualquer maneira, o conversor CC em CC bidirecional 502 pode transferir potência para o armazenamento de potência 504 quando o circuito de detecção de tensão 542 reportar uma queda de tensão superior a um certo limiar alto e, ao contrário, do armazenamento de potência 504 quando o circuito de detecção de tensão 542 reportar uma queda de tensão abaixo de um certo limiar baixo.

[0085] Referindo-se à figura 15, um circuito 550 é similar ao circuito 500 supradiscutido. Entretanto, em vez de basear-se no circuito de detecção de tensão 542, o circuito 550 inclui um controlador inteligente 552 que comunica com a carga 506 e regula, por meio de linhas de controle 544 e 546, a direção e quantidade de

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29/29 transferência de potência través do conversor CC em CC bidirecional 502. Em uma modalidade, o controlador inteligente 552 e a carga podem comunicar por meio de uma conexão RS-232 padrão para trocar mensagens de acordo com um protocolo de comunicação apropriado. Pelo processamento de mensagens da carga 506, o controlador 552 pode aumentar ou diminuir a largura de pulsos PWM, inverter a direção de transferência de potência e de outra forma regular o circuito 540 por meio de linhas de controle 544 e 546.

[0086] Percebe-se que o circuito 550 pode opcionalmente incluir um circuito de detecção de tensão 542 que pode reportar medições de tensão ao controlador 552, por exemplo. Adicionalmente, é contemplado que alguns dos componentes supradiscutidos podem ser combinados para simplificar o acondicionamento e embalagem, por exemplo. Em uma modalidade contemplada como esta, um conversor CC em CC bidirecional 16 ou 502 pode incluir um supercapacitor ou um outro tipo de unidade de armazenamento de potência.

[0087] Embora presente invenção tenha sido descrita com referência a exemplos específicos, que devem ser apenas ilustrativos, e não limitantes da invenção, fica aparente aos versados na técnica que mudanças, adições e/ou deleções podem ser feitas nas modalidades reveladas sem fugir do espírito e escopo da invenção.

Claims (25)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Circuito compreendendo:

   uma fonte de alimentação (520);

   uma carga de potência (506);

   um dispositivo de armazenamento (504);

   um conversor de CC em CC bidirecional (502) tendo um primeiro modo operacional e um segundo modo operacional, o conversor compreendendo:

   um primeiro par de terminais que conecta o conversor (502) à fonte de alimentação (520) e à carga de potência (506), o primeiro par de terminais incluindo um terminal positivo e um terminal negativo, em que o conversor de CC em CC bidirecional (502) é conectado em série com a fonte de alimentação (520) e a carga de potência (506) via o primeiro par de terminais;

   um segundo par de terminais que conecta o conversor (502) ao dispositivo de armazenamento (504), o segundo par de terminais incluindo um terminal positivo e um terminal negativo;

   um elemento de acúmulo (244) para acúmulo temporário de energia elétrica; e um circuito de comutação conectado no primeiro par de terminais, no segundo par de terminais e no elemento de acúmulo (244); o sistema caracterizado por:

   energia elétrica ser transferida da fonte de potência para o dispositivo de armazenamento (504) por meio do elemento de acúmulo (244) no primeiro modo operacional; e energia elétrica ser transferida do dispositivo de armazenamento (504) para a carga de potência (506) por meio do elemento de acúmulo (244) no segundo modo operacional, em que o circuito de comutação mantém uma queda de tensão controlada ao longo da carga de potência (506) selecionando entre o primeiro modo operacional e o segundo modo operacional.
2. 2. Circuito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de acúmulo (244) inclui um indutor.

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3. 3. Circuito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de comutação inclui:

   um primeiro elemento de comutação com um primeiro estado operacional e um segundo estado operacional; em que:

   o primeiro elemento de comutação conecta eletricamente o terminal positivo do primeiro par de terminais a um primeiro terminal do elemento de acúmulo (244) para causar acúmulo de energia elétrica no elemento de acúmulo no primeiro estado operacional do elemento de comutação; e em que o primeiro elemento de comutação desconecta eletricamente o terminal positivo do primeiro par de terminais do elemento de acúmulo (244) para causar transferência de energia elétrica do elemento de acúmulo no segundo estado operacional do primeiro elemento de acúmulo; em que:

   um segundo terminal do elemento de acúmulo (244) é eletricamente conectado no terminal positivo do segundo par de terminais de maneira que energia elétrica seja transferida através do terminal positivo do segundo par de terminais no segundo estado operacional do primeiro elemento de comutação.
4. 4. Circuito de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o primeiro elemento de comutação é um Transistor de Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido de metal (MOSFET).
5. 5. Circuito de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o circuito de comutação inclui adicionalmente:

   um segundo elemento de comutação com um primeiro estado operacional e um segundo estado operacional; em que o segundo elemento de comutação conecta eletricamente o primeiro terminal do elemento de acúmulo no terminal negativo do primeiro par de terminais para causar acúmulo de energia elétrica no elemento de acúmulo no primeiro estado operacional do segundo elemento de comutação; e em que o segundo elemento de comutação conecta eletricamente o primeiro terminal do elemento de acúmulo no terminal positivo do primeiro par de terminais para causar transferência de energia elétrica do elemento de acúmulo para o terminal positivo do primeiro par de terminais

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   3/7 no segundo estado operacional do segundo elemento de comutação.
6. 6. Circuito de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o circuito de comutação inclui adicionalmente:

   um primeiro diodo que permite o fluxo de corrente elétrica somente em uma direção, do primeiro terminal do elemento de acúmulo para o terminal positivo do primeiro par de terminais; e um segundo diodo que permite o fluxo de corrente elétrica somente em uma direção, do terminal negativo do primeiro par de terminais para o primeiro terminal do elemento de acúmulo.
7. 7. Circuito de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o circuito de comutação inclui adicionalmente:

   um primeiro capacitor conectado eletricamente no primeiro par de terminais; e um segundo capacitor conectado eletricamente no segundo par de terminais.
8. 8. Circuito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro par de terminais é associado com uma primeira queda de tensão, em que o segundo par de terminais é associado com uma segunda queda de tensão; e em que a primeira queda de tensão é maior que a segunda queda de tensão no primeiro modo operacional do dispositivo e menor que a segunda queda de tensão no segundo modo operacional do dispositivo.
9. 9. Método para regular transferência bidirecional de potência para um circuito do tipo definido na reivindicação 1, o método caracterizado pelo fato de que compreende:

   manter uma queda de tensão controlada ao longo da carga de potência selecionando entre o primeiro modo operacional e o segundo modo operacional com base na medição de tensão, em que transferir potência elétrica da fonte de alimentação para o dispositivo de armazenamento no primeiro modo operacional inclui:

   acumular energia da fonte de alimentação em um elemento de acúmulo,

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   4/7 em que o elemento de acúmulo é um componente de um conversor de CC em CC bidirecional; e transferir energia do elemento de acúmulo para o dispositivo de armazenamento; e em que transferir potência elétrica do dispositivo de armazenamento para a carga de potência em um segundo modo operacional inclui:

   acumular energia do dispositivo de armazenamento no elemento de acúmulo; e transferir energia do elemento de acúmulo para a carga de potência.
10. 10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro modo operacional é associado com a disponibilidade de potência não usada na fonte de alimentação e em que o segundo modo operacional é associado com a falta de potência na fonte de alimentação.
11. 11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que transferir potência elétrica da fonte de alimentação para o dispositivo de armazenamento inclui alternar os atos de acumular energia da fonte de alimentação em um elemento de acúmulo e transferir energia do elemento de acúmulo para o dispositivo de armazenamento de acordo com um esquema de Modulação por Largura de Pulso (PWM).
12. 12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que transferir potência elétrica da fonte de alimentação para o dispositivo de armazenamento inclui adicionalmente variar a largura do pulso de acordo com uma quantidade de potência não usada disponível na fonte de alimentação, incluindo aumentar a largura do pulso quando mais potência estiver disponível na fonte de alimentação.
13. 13. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que alternar os atos de acumular energia e transferir energia inclui operar um comutador eletrônico incluindo um transistor.
14. 14. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que transferir potência elétrica do dispositivo de armazenamento para a carga de

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    5/7 potência inclui alternar os atos de acumular energia do dispositivo de armazenamento em um elemento de acúmulo e transferir energia do elemento de acúmulo para a carga de potência de acordo com um esquema de Modulação por

    Largura de Pulso (PWM).
15. 15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que transferir potência elétrica do dispositivo de armazenamento para a carga de potência inclui adicionalmente variar a largura de pulso de acordo com uma quantidade de potência insuficiente exigida pela carga de potência, incluindo aumentar a largura de pulso quando mais potência for exigida pela carga de potência.
16. 16. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o elemento de acúmulo é um indutor.
17. 17. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o elemento de acúmulo é um componente de um conversor de CC em CC bidirecional, o método compreende adicionalmente:

    conectar um conversor de CC em CC bidirecional em série com a fonte de alimentação e a carga de potência;

    medir uma queda de tensão na carga de potência para gerar uma medida da tensão; e selecionar entre o primeiro modo operacional e o segundo modo operacional com base na medida da tensão.
18. 18. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:

    receber um primeiro sinal para controlar o primeiro modo operacional; receber um segundo sinal para controlar o segundo modo operacional; operar o primeiro comutador eletrônico de acordo com o primeiro sinal; e operar o segundo comutador eletrônico de acordo com o segundo sinal; em que o primeiro comutador eletrônico e o segundo comutador eletrônico são componentes do conversor de CC em CC bidirecional.

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19. 19. Sistema para varredura de potência em um primeiro circuito tendo uma corrente CC variável, caracterizado pelo fato de que compreende:

    um circuito do tipo definido na reivindicação 1;

    em que a fonte de alimentação é um dispositivo de varredura de potência, incluindo:

    um par de terminais de entrada conectando o dispositivo de varredura no primeiro circuito; e um par de terminais de saída conectando o dispositivo de varredura à carga de potência e ao primeiro par de terminais do conversor de CC em CC bidirecional.
20. 20. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de varredura de potência é um dispositivo de varredura de potência regulada na entrada que mantém uma queda de tensão controlada através do par de terminais e coleta energia elétrica da fonte de alimentação disponível na queda de tensão controlada.
21. 21. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o elemento de acúmulo inclui:

    um indutor.
22. 22. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de armazenamento é um supercapacitor.
23. 23. Sistema de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma carga acionada pelo dispositivo de varredura que retira potência do dispositivo de varredura de potência no primeiro modo operacional do conversor de CC em CC bidirecional.
24. 24. Sistema de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um circuito de detecção de tensão que mede tensão através da carga acionada pelo dispositivo de varredura, em que o circuito de detecção inclui:

    uma primeira linha de controle acoplada no conversor de CC em CC bidirecional que controla a transferência de potência elétrica da carga acionada pelo

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    7/7 dispositivo de varredura para o dispositivo de armazenamento; e uma segunda linha de controle acoplada no conversor de CC em CC bidirecional que controla a transferência de potência elétrica do dispositivo de armazenamento para a carga acionada pelo dispositivo de varredura.
25. 25. Sistema de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um controlador acoplado comunicativamente na carga acionada pelo dispositivo de varredura e no conversor de CC em CC bidirecional, em que o controlador regula a transferência de potência elétrica entre o dispositivo de armazenamento e a carga acionada pelo dispositivo de varredura com base na sinalização entre o controlador e a carga acionada pelo dispositivo de varredura.