IT202100024875A1 - Circuito di alimentazione, relativo attuatore e metodo per alimentare un carico - Google Patents

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Description

CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE, RELATIVO ATTUATORE E METODO
PER ALIMENTARE UN CARICO
CAMPO TECNICO
La presente divulgazione si riferisce in generale ad attuatori elettrici e pi? in particolare ad un circuito di alimentazione atto ad alimentare un componente in lega a memoria di forma (SMA), ad un relativo attuatore comprendente il circuito di alimentazione ed il carico comprendente almeno un materiale intelligente scelto tra un dispositivo piezoelettrico e un componente in lega a memoria di forma (SMA) e un metodo per alimentare un carico.
BACKGROUND
Le leghe a memoria di forma (chiamate anche SMA) sono materiali che "ricordano" la loro forma originale e vi ritornano quando vengono riscaldati. L'attivazione termica di un componente in SMA, ad esempio un filo in SMA, pu? essere pilotata da corrente elettrica tramite effetto Joule, utilizzando un circuito di alimentazione configurato per forzare una corrente elettrica attraverso il filo. Le propriet? uniche delle leghe a memoria di forma di recuperare la forma dopo il riscaldamento, come i fili e le molle SMA prodotti da SAES Getters SpA con il nome commerciale SmartFlex?, possono essere efficacemente impiegate in attuatori compatti, leggeri, potenti e silenziosi per sostituire tecnologie alternative a base di cera, motori CC e motori elettrici. L'impareggiabile densit? di energia, il grado di integrazione e la semplicit? nel design rendono le leghe a memoria di forma il nuovo standard industriale per gli attuatori lineari e rotanti.
Per avere una risposta rapida di un attuatore SMA, ? importante riscaldare rapidamente il suo componente SMA utilizzando circuiti di alimentazione adeguati configurati per forzare una corrente in tutto il componente SMA.
Un esempio di attuatore SMA veloce ? descritto nel documento US2016/0186730 ed ? schematicamente mostrato in figura 1. Il componente SMA ? alimentato quando il MOSFET di uscita ? chiuso dall'unit? di pilotaggio 31, e la corrente che lo attraversa ? fornita da un condensatore di tenuta C1 caricato da un'unit? di alimentazione 2. Questo precedente attuatore SMA ha una struttura semplice, sebbene sia specificamente progettato per funzionare con un'unit? di alimentazione 2 a bassa tensione che inietta una corrente continua controllata, che ? tipicamente di 5 Amp?re. La tensione di alimentazione, a sua volta, viene regolata in funzione della resistenza elettrica dell'attuatore SMA.
SOMMARIO
Il controllo dei componenti SMA o dei componenti piezoelettrici con questo noto attuatore comporta una risposta di attivazione lenta a causa del lungo tempo necessario per riscaldare il componente SMA o il componente piezoelettrico e una grande quantit? di calore viene dispersa nell'ambiente, il che si traduce in una bassa efficienza.
Secondo questa divulgazione, un circuito di alimentazione per l'alimentazione di un carico, che pu? essere un componente SMA o un componente piezoelettrico, pu? utilizzare brevi impulsi ad alta tensione per ottenere un rapido riscaldamento del carico e, al fine di soddisfare i requisiti funzionali ed evitare il danneggiamento del componente dovuto a surriscaldamento e/o bruciatura, il componente SMA o piezoelettrico non deve essere alimentato collegandolo direttamente ad una linea elettrica a tensione relativamente alta.
I requisiti di cui sopra sono soddisfatti con il circuito di alimentazione definito nella rivendicazione 1.
Viene inoltre divulgato un attuatore comprendente un circuito di alimentazione di questa divulgazione e almeno un carico, comprendente almeno un materiale intelligente scelto tra un componente piezoelettrico e un componente in lega a memoria di forma (SMA), e un metodo per fornire un carico comprendente il passaggi di:
? collegare il convertitore di tensione CA-CC del circuito di alimentazione alla rete CA chiudendo l'interruttore di ingresso per la carica di un condensatore di tenuta del convertitore e, contemporaneamente, aprendo l'interruttore di uscita per scollegare il carico dal condensatore di tenuta;
? ? scollegare il convertitore di tensione CA-CC del circuito di alimentazione dalla rete AC aprendo l'interruttore di ingresso e, contemporaneamente, chiudendo l'interruttore di uscita per alimentare il carico scaricando il condensatore di tenuta.
Forme di realizzazione preferite sono definite nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La Figura 1 illustra un precedente attuatore SMA funzionante a bassa tensione CC. La Figura 2a illustra una forma di realizzazione di un attuatore SMA secondo la presente divulgazione avente un unico interruttore di ingresso.
La Figura 2b illustra un'altra forma di realizzazione di un attuatore SMA secondo la presente divulgazione avente due interruttori di ingresso.
La Figura 3 ? un grafico temporale esemplificativo della tensione sul condensatore di tenuta durante una fase di carica.
La Figura 4 ? un grafico temporale esemplificativo della tensione sul condensatore di tenuta durante una fase di scarica e del corrispondente impulso di tensione erogato al carico alimentato.
DESCRIZIONE DI FORME DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVE
Nelle figure 2a e 2b sono mostrati esempi di realizzazione di un circuito di alimentazione atto ad alimentare un carico mediante brevi impulsi ad alta tensione e senza collegare direttamente il carico ad una linea elettrica a tensione relativamente elevata in fase di alimentazione.
Il circuito di alimentazione comprende percorsi principali di corrente, etichettati con le lettere A e B, che partono dai terminali di ingresso CA del circuito di alimentazione e portano ai terminali di uscita CC ai quali sono collegati un carico alimentato 1 e l'interruttore di uscita 2. Nel percorso elettrico B ? presente un convertitore di tensione CA-CC 3, 5, 6, 8, collegato tra i terminali di ingresso CA e i terminali di uscita CC, in cui il convertitore di tensione CA-CC 3, 5, 6, 8 ? configurato per ricevere una tensione di rete CA sui terminali di ingresso CA per generare una corrispondente tensione CC raddrizzata sui terminali di uscita CC, in cui il convertitore di tensione CA-CC 3, 5, 6, 8, comprende un condensatore di tenuta 3 collegato funzionalmente tra l'uscita CC terminali per mantenere la tensione CC raddrizzata.
Come regola generale, il convertitore di tensione CA-CC pu? essere di qualsiasi tipo. Secondo un aspetto opzionale, illustrato nelle Figure 2a e 2b, il convertitore di tensione CA-CC pu? comprendere un raddrizzatore a ponte a diodi a onda intera 6, collegato funzionalmente tra i terminali di ingresso CA e i terminali di uscita CC per generare la tensione CC raddrizzata come un replica raddrizzata della tensione di rete CA, messa a disposizione di un carico alimentato 1. Secondo un aspetto, il condensatore di tenuta 3 ha un valore di capacit? compreso tra 10 ?F e 470 ?F.
Secondo un aspetto facoltativo, illustrato nelle figure 2a e 2b, il convertitore di tensione CA-CC pu? comprendere anche un condensatore di ingresso 8 funzionalmente collegato tra il raddrizzatore a ponte a diodi a onda intera 6 e un terminale di ingresso CA per limitare una corrente alternata assorbita dal raddrizzatore a ponte a diodi a onda intera 6. Secondo un aspetto, il condensatore di ingresso 8 pu? avere un valore di capacit? compreso tra 0,1?F e 47?F.
Un eventuale resistore ausiliario 5 pu? essere collegato elettricamente in parallelo al condensatore di tenuta 3 per scaricare il condensatore di tenuta 3 quando il carico non pu? essere alimentato perch? fuori servizio o il suo collegamento elettrico ? danneggiato. Il resistore ausiliario 4 pu? avere un valore di resistenza adeguato in modo da non scaricare in modo significativo il condensatore di tenuta 3 quando i collegamenti elettrici al carico 1 e il carico 1 stesso sono funzionanti, ma per scaricare in sicurezza il condensatore di tenuta 3 in caso di guasto del carico 1. Secondo un aspetto, il resistore ausiliario 5 ha un valore di resistenza compreso tra 150-500 K?.
Nell'altro percorso di corrente A ? presente un rel? di commutazione 7 avente una bobina di eccitazione collegata tra i terminali di ingresso CA e configurato per essere alimentato ogni volta che viene applicata una tensione CA ai terminali di ingresso CA, da cui partono i percorsi elettrici A e B, e avente almeno un interruttore interno controllato dalla bobina di eccitazione e configurato per collegare un terminale intermedio T del circuito di alimentazione ad uno dei due terminali di uscita CC quando la bobina di eccitazione non ? alimentata.
I due percorsi di corrente A e B sono entrambi alimentati contemporaneamente o entrambi scollegati da un interruttore di ingresso 9 configurato per collegare/scollegare almeno uno dei terminali di ingresso CA alla rete CA. Quando l'interruttore di ingresso 9 ? chiuso, il convertitore CA-CC viene eccitato e quindi il condensatore di tenuta 3 viene caricato con una tensione CC raddrizzata e allo stesso tempo la bobina di eccitazione del rel? di commutazione 7 attira l'interruttore del rel? 7 cos? in modo da mantenere scollegato il terminale intermedio T. Quando l'interruttore di ingresso 9 ? aperto, allora il convertitore CA-CC non ? eccitato e quindi il condensatore di tenuta 3 ? scollegato dai terminali di rete 10 e l'interruttore del rel? 7 ? rilasciato.
Il circuito di alimentazione comprende inoltre almeno un'unit? di pilotaggio 4 collegata direttamente tra uno dei terminali di uscita in corrente continua ed un rispettivo terminale intermedio T del circuito di alimentazione. L'unit? di pilotaggio 4 ? configurata per generare un segnale di controllo logicamente attivo quando l'almeno un rispettivo terminale intermedio T non ? scollegato, e tale segnale di controllo ? fornito ad un terminale di controllo di un rispettivo almeno un interruttore di uscita 2 configurato per essere acceso quando il segnale di controllo ? logicamente attivo. In pratica, quando l'interruttore di ingresso 9 ? aperto, il convertitore CA-CC viene scollegato dai terminali di rete CA 10 e, contemporaneamente, l'interruttore del rel? 7 collega il terminale intermedio T in un percorso di corrente tra i due DC terminali di uscita del circuito di alimentazione. In questa configurazione, l'unit? di pilotaggio 4 genera un segnale di controllo logicamente attivo e l'interruttore di uscita 2 collega il rispettivo carico 1 in modo da essere alimentato attraverso i terminali di uscita DC, permettendo alla carica elettrica immagazzinata nel condensatore 3 del serbatoio di attraversare il carico 1.
Quando l'interruttore di ingresso 9 ? chiuso, il condensatore di tenuta 3 viene caricato dalla tensione di rete CA, ad esempio con un andamento temporale come mostrato a titolo di esempio in Figura 3. Durante questa fase di carica, il carico 1 viene scollegato dal condensatore di tenuta 3 e quindi ? scollegato dai terminali di rete CA 10. Quando l'interruttore di ingresso 9 ? aperto, il condensatore di tenuta 3 ? scollegato dai terminali di rete CA 10 e l'interruttore di uscita 2 collega il carico 1 ai terminali di uscita DC, quindi il carico 1 ? alimentato con un impulso di tensione, come mostrato solo ad esempio nel diagramma temporale di figura 4. Pertanto, utilizzando il circuito di alimentazione definito nella rivendicazione 1, il carico 1 ? alimentato con impulsi di scarica a partire da una tensione relativamente alta ma il carico 1 non ? mai collegato direttamente ai terminali 10 di rete CA, quindi ? facile soddisfare i requisiti di sicurezza sui carichi elettrici 1 che non possono essere alimentati tramite collegamento diretto a linee di tensione relativamente alta.
Secondo un aspetto, i terminali 10 della rete CA sono ad una tensione compresa tra 220-240 V CA.
In generale, l'unit? di pilotaggio 4 pu? essere un qualsiasi blocco circuitale in grado di generare un segnale di controllo logicamente attivo quando il rispettivo terminale intermedio T non ? scollegato. Secondo un aspetto facoltativo, illustrato nelle figure 2a e 2b, l'almeno un'unit? di pilotaggio 4 ? un partitore di tensione resistivo collegato direttamente tra un terminale di uscita DC ed al rispettivo terminale intermedio T, in cui il segnale di controllo ? una tensione resa disponibile ad un terminale centrale del partitore di tensione resistivo. A puro titolo esemplificativo, il partitore di tensione resistivo 4 comprende una prima resistenza 4a, che condivide un nodo di connessione con l'interruttore di uscita 2, di valore compreso tra 5-10 K? ed una seconda resistenza 4b, collegata direttamente al nodo intermedio T, con un valore compreso tra 400-450 K?.
Secondo un aspetto facoltativo, l'unit? di pilotaggio 4, e ad esempio il partitore di tensione resistivo 4 illustrato nelle figure 2a e 2b, ? collegata da un lato al terminale di uscita CC negativo del condensatore di tenuta 3 e dall'altro lato al terminale intermedio T.
L'interruttore di uscita 2 pu? essere un qualsiasi interruttore controllato chiuso quando il segnale di controllo ? attivo e aperto quando il segnale di controllo ? logicamente inattivo. A puro titolo di esempio, l'almeno un interruttore di uscita 2 pu? essere un tiristore collegato funzionalmente per essere acceso quando il segnale di controllo ? logicamente attivo.
I circuiti di alimentazione di questa divulgazione possono essere configurati per alimentare una pluralit? di carichi 1, fornendo una pluralit? di unit? di pilotaggio 4 direttamente collegate tra un terminale di uscita DC e la rispettiva pluralit? di terminali intermedi T, in cui la pluralit? di unit? di pilotaggio 4 ? tutti configurati per generare una rispettiva pluralit? di segnali di controllo tutti logicamente attivi quando il rispettivo terminale intermedio T non ? scollegato; fornendo una pluralit? di interruttori di uscita 2 configurati per essere accesi quando la rispettiva pluralit? di segnali di controllo sono logicamente attivi, e configurati per collegare una rispettiva pluralit? di carichi 1 da alimentare da detti terminali di uscita DC; e fornendo un rel? di commutazione 7 comprendente una pluralit? di interruttori interni tutti controllati dalla stessa bobina di eccitazione e configurati per collegare la pluralit? di terminali intermedi T a un terminale di uscita CC quando la bobina di eccitazione non ? alimentata.
I circuiti di alimentazione di questa divulgazione possono essere utilizzati per realizzare attuatori per alimentare uno o pi? carichi 1, in cui il carico 1 comprende almeno un materiale intelligente scelto tra un dispositivo piezoelettrico e un componente in lega a memoria di forma (SMA).
Secondo un aspetto, il carico 1 comprende almeno un filo SMA, che pu? essere realizzato in lega Ni-Ti, ad esempio del tipo comprendente uno o pi? elementi scelti tra Hf, Pt, Cu, Nb.
Secondo un aspetto, il filo SMA ha un diametro compreso tra 76-350 ?m.
Utilizzando un circuito di alimentazione di questa divulgazione, ? possibile realizzare un attuatore adatto per attivare componenti piezoelettrici o componenti SMA, in un intervallo di tempo compreso tra 1-100 ms, preferibilmente tra 5-25 ms.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Circuito di alimentazione, comprendente:
un convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8), avente terminali di ingresso CA e terminali di uscita CC, in cui detto convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8) ? configurato per ricevere una tensione di rete CA su detti terminali di ingresso CA per generare una corrispondente tensione CC rettificata su detti terminali di uscita CC, in cui detto convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8) comprende un condensatore di tenuta (3) funzionalmente collegato tra detti terminali di uscita CC per mantenere detta tensione CC rettificata;
almeno un interruttore di ingresso (9) configurato per collegare/scollegare almeno un terminale di ingresso CA di detti terminali di ingresso CA alla rete CA;
almeno un'unit? di pilotaggio (4) direttamente collegata tra un primo terminale di uscita DC di detti terminali di uscita DC ed almeno un rispettivo terminale intermedio (T) del circuito di alimentazione, detta almeno un'unit? di pilotaggio (4) essendo configurata per generare un segnale di controllo logicamente attivo quando detto almeno un rispettivo terminale intermedio (T) non ? scollegato;
almeno un interruttore di uscita (2) configurato per essere acceso quando detto segnale di controllo ? logicamente attivo, e configurato per collegare un rispettivo almeno un carico (1) da alimentare da detti terminali di uscita CC;
un rel? di commutazione (7) avente una bobina di eccitazione collegata tra detti terminali di ingresso CA e configurato per essere alimentato ogni volta che viene applicata una tensione CA a detti terminali di ingresso CA e avente almeno un interruttore interno controllato da detta bobina di eccitazione e configurato per connettere detto almeno un rispettivo terminale intermedio (T) ad un secondo terminale di uscita in corrente continua di detti terminali di uscita in corrente continua quando detta bobina di eccitazione non ? alimentata.
2. Circuito di alimentazione della rivendicazione 1, in cui detta almeno un'unit? di pilotaggio (4) ? un partitore di tensione resistivo direttamente collegato tra detto primo terminale di uscita DC e detto almeno un rispettivo terminale intermedio (T), in cui detto segnale di controllo ? reso disponibile in corrispondenza di un terminale intermedio del partitore di tensione resistivo.
3. Circuito di alimentazione di una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8) comprende:
un raddrizzatore (6) a ponte a diodi ad onda intera, funzionalmente collegato tra detti terminali di ingresso in corrente alternata e detti terminali di uscita in corrente continua per generare detta tensione continua raddrizzata come una replica raddrizzata di detta tensione di rete alternata.
4. Circuito di alimentazione della rivendicazione 3, comprendente inoltre un condensatore di ingresso (8) funzionalmente collegato tra detto raddrizzatore a ponte a diodi ad onda intera (6) e un terminale di ingresso CA di detti terminali di ingresso CA per limitare una corrente CA assorbita da detto raddrizzatore (6) a ponte a diodi ad onda intera.
5. Circuito di alimentazione secondo la rivendicazione 3 o 4, comprendente inoltre un resistore ausiliario (5) collegato elettricamente in parallelo a detto condensatore di tenuta (3).
6. Circuito di alimentazione di una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un interruttore di uscita (2) ? un tiristore funzionalmente connesso per essere acceso quando detto segnale di controllo ? logicamente attivo.
7. Circuito di alimentazione di una delle rivendicazioni precedenti, comprendente:
una pluralit? di unit? di pilotaggio (4) direttamente collegate tra il primo terminale di uscita DC e detta rispettiva pluralit? di terminali intermedi (T), detta pluralit? di unit? di pilotaggio (4) essendo configurata per generare una rispettiva pluralit? di segnali di controllo tutti logicamente attivi quando detta rispettiva pluralit? di terminali intermedi (T) non sono scollegata,
una pluralit? di interruttori di uscita (2) configurati per essere accesi quando detta rispettiva pluralit? di segnali di controllo sono logicamente attivi, e configurati per collegare una rispettiva pluralit? di carichi (1) da alimentare da detti terminali di uscita in corrente continua;
in cui detto rel? di commutazione (7) comprende una pluralit? di interruttori interni tutti controllati da detta bobina di eccitazione e configurati per collegare detta rispettiva pluralit? di terminali intermedi (T) a detto secondo terminale di uscita CC quando detta bobina di eccitazione non ? alimentata.
8. Attuatore, comprendente:
il circuito di alimentazione di una delle rivendicazioni precedenti, e almeno un carico (1), comprendente almeno un materiale intelligente scelto tra un dispositivo piezoelettrico e un componente in lega a memoria di forma (SMA).
9. Metodo per alimentare un carico dalla rete CA, comprendente:
fornire ed installare un circuito di alimentazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7;
collegare un carico (1) all'interruttore di uscita (2) di detto circuito di alimentazione;
collegare il convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8) del circuito di alimentazione a detta rete CA chiudendo l'interruttore di ingresso (9) caricando il condensatore di tenuta (3) funzionalmente collegato tra i terminali di uscita DC del circuito di alimentazione e, contemporaneamente, aprendo l'interruttore di uscita (2) per scollegare il carico (1) dal condensatore di tenuta (3);
scollegare il convertitore di tensione CA-CC (3, 5, 6, 8) del circuito di alimentazione dalla rete CA aprendo l'interruttore di ingresso (9) e, contemporaneamente, chiudendo l'interruttore di uscita (2) per alimentare il carico (1) scaricando il condensatore di tenuta (3).
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