ITBO20110529A1 - Generatore elettrico di corrente continua alimentato da vibrazioni meccaniche ambientali - Google Patents

Description

“GENERATORE ELETTRICO DI CORRENTE CONTINUA ALIMENTATO

DA VIBRAZIONI MECCANICHE AMBIENTALIâ€

S T A T O D E L L’ A R T E

Sono note molteplici soluzioni tecniche mirate a generare una corrente elettrica sfruttando vibrazioni meccaniche ambientali.

I documenti US 7936109 (Gao Z. et al., 2011), WO 2008051322 (Clingman D. and Pena G., 2008), WO 2009100022 (Arnold D. and Bowers B. J., 2009), WO 2008049124 (Hampikian G. et al., 2008), JP 2002-369554, WO 2011059129 (Im I. et al, 2011), WO 2011079486 (Lai S. and Li M., 2011) e WO 2010151738 (Erturk A. and Inman D., 2010) descrivono dispositivi generatori piezoelettrici, magneto-induttivi, magneto-meccanici e piezo-magneto-elastici in grado di produrre una corrente elettrica alternata quando investiti da oscillazioni meccaniche.

Detti dispositivi non sono adatti ad alimentare sistemi che richiedano un alimentazione in corrente continua.

Sono altresì note molteplici circuiti rettificatori, anche specificamente abbinati a sistemi generatori analoghi a quelli già citati o anche diverso, atti convertirne l’uscita in una corrente continua.

In molti documenti noti, tra cui i documenti JP 2006056501 (Tyndall P., 2006), US 2011050181 (Post E. R. and Wall C. E., 2011), WO 2010100582 (Erdmann B. et al., 2010) e WO 2011084891 (Tinaphong P. P., 2011) à ̈ suggerito l’impiego di diodi a semiconduttori in qualità di raddrizzatori in configurazione a ponte o singola semionda.

Le soluzioni tecniche riconducibili ai sistemi citati hanno però limitazioni dovute alla caduta di tensione dei diodi semiconduttori polarizzati direttamente che riduce l’efficienza di conversione ed impedisce il regolare funzionamento quando l’entità delle tensioni generate à ̈ molto piccola.

Sono altresì note molteplici soluzioni tecniche come quelle descritte dai documenti US 2010165686 (Matzberger M. et al., 2010), WO 2009045660 (Kearney-Fischer M. and Thompson P., 2009) che utilizzano sistemi rettificatori sincroni in cui la rettificazione à ̈ operata da un ponte di MOSFET ciascuno dei quali à ̈ opportunamente comandato da segnali generati da un circuito attivo di controllo appositamente preposto allo scopo.

Dette soluzioni sono però caratterizzate da una elevata complessità circuitale e realizzativa e possono mostrare ancora limitazioni quando l’entità delle tensioni da rettificare à ̈ molto piccola ed à ̈ la sola fonte disponibile di alimentazione anche per il circuito attivo.

Sono inoltre note alcune soluzioni più semplici che propongono sistemi di rettificazione in grado di operare nei casi esclusi dalle soluzioni precedenti.

Il documento US 2011101789 (Salter T. S. et al., 2011) descrive un circuito in cui la rettificazione à ̈ ottenuta mediante transistori MOSFET in cui il “gate†à ̈ cortocircuitato con il “drain†al fine di ottenere che il transistore si accenda anche se solo in zona lineare quando tra “drain†e “source†risulta presente una tensione positiva.

Il documento EP 2348606 (Jogia P., 2011) suggerisce infine una soluzione riconducibile a quella sopra esposta ma con efficienza maggiore in cui sono utilizzati transitori MOSFET caratterizzati da un valore nominalmente nullo per la tensione di soglia che, applicata tra “gate†e “source†porta il transistor in saturazione, quali ad esempio i MOSFET a canale “n†di tipo “zero threshold†“Electrically Programmable Analog Device†prodotti dalla azienda “Advanced Linear Devices, Inc.†(CA, USA).

Dette soluzioni sono in effetti più efficaci nelle condizioni di impiego già citate ma, poiché anche i suddetti MOSFET “zero threshold†sono caratterizzati da una deriva del valore della effettiva tensione di soglia di saturazione al variare della temperatura, quando la temperatura si allontana dal punto di zero della tensione di soglia di saturazione si verifica una riduzione dell’efficienza del sistema che può pregiudicarne la possibilità di utilizzo.

D E S C R I Z I O N E D E L L’ I N V E N Z I O N E

Scopo principale della presente invenzione à ̈ quello di realizzare generatore elettrico di corrente continua alimentato da vibrazioni meccaniche ambientali che sia:

- adatto ad essere impiegato anche in situazioni ove l’ampiezza di picco della tensione del segnale rettificando à ̈ estremamente ridotta, e

- caratterizzato da una elevata efficienza di rettificazione, e

- caratterizzato da una semplicità costruttiva maggiore delle soluzioni note aventi prestazioni paragonabili,

- in grado di operare in un campo esteso di temperature di funzionamento con una variazione trascurabile della propria efficienza.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento alle figure allegate che comprendono sue forme attuative non limitative.

La Figura 1 illustra una forma attuativa preferenziale della presente invenzione in cui i componenti principali del sistema sono illustrati all'interno del riquadro 40.

Per effetto delle vibrazioni meccaniche ambientali, ad esempio attraverso un movimento di un magnete 1 e/o la deformazione di un elemento magnetostrittivo (non illustrato), non necessariamente facenti parte del dispositivo, e/o una variazione del circuito magnetico concatenato à ̈ prodotta una variazione del flusso magnetico 2 concatenato con una pluralità di avvolgimenti 47, 48, 49 e 50 inducendo in ciascuno una forza elettromotrice (f.e.m.) avente ampiezza correlata al numero di spire di ciascun avvolgimento, ed avente fase imposta dal proprio verso di avvolgimento. Avendo gli avvolgimenti 47 e 49 un numero di spire maggiore di quelle rispettivamente degli avvolgimenti 48 e 50, essi sono caratterizzati da una maggiore ampiezza della relativa f.e.m..

In particolare nell’avvolgimento 47 che ha un estremo collegato alla massa 58, à ̈ indotta una f.e.m. con semionde 51a e 51b che à ̈ applicata al “gate†di un dispositivo 53 costituito da un “Electrically Programmable Analog Device – MOSFET a canale n con tensione di soglia di saturazione nulla" del tipo di quelli prodotti dalla Advanced Linear Devices Inc.

(CA, USA), mentre il “source†à ̈ connesso a massa ed il “drain†à ̈ connesso ad un capo dell’avvolgimento 48 collegato in modo tale che il dispositivo 53 si porta in saturazione per tutta la durata della semionda positiva 51a del segnale applicato al “gate†aprendo un percorso ad impedenza trascurabile tra la massa 58 ed il capo dell’avvolgimento 48 collegato al proprio “drain†, condizione che permette di prelevare al punto 57 la semionda positiva 52b del segnale sul capo opposto dell’avvolgimento 48, per formare la semionda 59a del segnale rettificato riferito alla massa 58. Per tutta la durata della semionda negativa 51b il dispositivo 53 risulta invece in interdizione, impedendo che alcuna corrente elettrica possa scorrere nell’avvolgimento 48.

In modo analogo, nell’avvolgimento 49 che ha un estremo collegato alla massa 58, à ̈ indotta una f.e.m. con semionde 54a e 54b, in opposizione di fase rispetto a quella indotta negli avvolgimenti 47 e 48, che à ̈ applicata “gate†di un dispositivo 56 analogo al dispositivo 53 già menzionato, il cui “source†à ̈ connesso a massa e il cui “drain†à ̈ collegato ad un capo dell’avvolgimento 50 secondo una configurazione per cui il dispositivo 56 si porta in saturazione per tutta la durata della semionda positiva 54b aprendo un percorso ad impedenza trascurabile tra la massa 58 ed il capo dell’avvolgimento 50 collegato al proprio “drain†, condizione che permette di prelevare al punto 57 la semionda positiva 55b del segnale sul capo opposto dell’avvolgimento 50, per formare la semionda 59b del segnale rettificato riferito alla massa 58. Per tutta la durata della semionda negativa 54a il dispositivo 56 risulta invece in interdizione, impedendo che alcuna corrente elettrica possa scorrere nell’avvolgimento 50.

Il circuito illustrato permette quindi di raccogliere solo semionde positive 59a e 59b ai capi di un carico 42, non necessariamente facente parte del dispositivo stesso, collegato tra il terminale di uscita 57 e massa.

La soluzione descritta à ̈ inoltre caratterizzata dal fatto che la condizione di saturazione nei MOSFET 53 e 56 à ̈ controllata da un segnale 86 applicato ai relativi “gate†avente ampiezza di picco maggiore di quella del rispettivo segnale rettificando 80, condizione che riduce l’intervallo di tempo 87 tra l’attraversamento del punto di zero e il raggiungimento della effettiva tensione di saturazione tra “gate†e “source†, intervallo durante il quale il regime di accensione lineare dei MOSFET può indurre un calo dell’efficienza della rettificazione.

Nella soluzione descritta tale intervallo 87 à ̈ quindi ridotto ad un livello trascurabile rispetto al valore 85 che si avrebbe nel caso in cui l’ampiezza di picco della tensione di controllo applicata tra “gate†e “source†fosse pari a quella del segnale rettificando 80 soprattutto quando le condizioni di temperatura impongono un valore effettivo non nullo della tensione di saturazione dei MOSFET 53 e 56.

La soluzione illustrata in Figura 3 non necessità inoltre di alcuna specifica alimentazione a parte una trascurabile frazione di potenza sottratta al segnale pilota 43.

La Figura 2 illustra una forma attuativa alternativa del circuito di cui alla presente invenzione, in cui i segnali rettificandi 110a/b e 116a/b sono raccolti ai capi in opposizione di fase di due avvolgimenti secondari 106 e 108 aventi un capo in comune e collegato a massa 118, ed in cui i MOSFET 111 e 117, dello stesso tipo di quelli descritti per gli elementi 53 e 56, raccolgono ciascuno sul proprio “source†uno dei segnali rettificandi 110a/b e 116a/b e sono rispettivamente accesi dalla semionda positiva 109a e 115a dei segnali di controllo 109a/b e 115a/b a loro volta indotti negli avvolgimenti 105 e 107 che hanno più spire degli avvolgimenti 106 e 108 e che sono riferiti ciascuno al “source†del proprio MOSFET controllato 111 e 112 .

Il segnale rettificato à ̈ quindi raccolto ai “drain†dei MOSFET 111 e 117 tra loro cortocircuitati.

La Figura 3 illustra una forma attuativa alternativa del circuito di cui alla presente invenzione, in cui sono utilizzati MOSFET 130 e 134 a canale “p†con tensione di soglia di saturazione bassa del tipo di quelli prodotti dalla Advanced Linear Devices Inc. (CA, USA).

Il funzionamento del circuito di cui alla Figura 4 à ̈ concettualmente simile a quello di cui alla Figura 3, con la peculiarità che il collegamento degli avvolgimenti 125 e 128 à ̈ tale da generare segnali di controllo 129a/b e 132a/b in opposizione di fase rispetto ai relativi segnali rettificandi 131a/b e 135a/b affinché l’accensione dei MOSFET 130 e 134 sia correttamente comandata solo in concomitanza con le semionde positive 131a e 135a del segnale rettificando.

La Figura 4 illustra una ulteriore forma attuativa alternativa del circuito di cui alla presente invenzione, secondo uno schema che utilizza un generatore 147 di tipo piezoelettrico anziché ad induzione magnetica unitamente ad un sistema analogo che realizza la rettificazione della corrente prodotta.

Nel circuito di figura 5 un elemento piezoelettrico 148a/b à ̈ deformato in seguito all’azione 161 delle vibrazioni meccaniche ambientali portandosi da configurazione iniziale indeformata 148a ad una configurazione deformata 148b dipendente dall’azione meccanica subita. Detta variazione di deformazione subita dall’elemento à ̈ responsabile della produzione di una variazione di potenziale 152a/b e 153a/b tra coppie di elettrodi 143a, 143c e 143b, 143d e 144a, 144c e 144b, 144d accoppiati all’elemento piezoelettrico 148a/b in modo da essere influezati dallo spostamento di cariche elettriche legato alla deformazione prodotta dall’azione meccanica 161.

Detta deformazione meccanica à ̈ inoltre responsabile di una deformazione per strizione anche lungo un diverso asse 150 dell’elemento piezoelettrico, deformazione cui à ̈ legata la produzione di una variazione di potenziale tra coppie di elettrodi 145a, 145b e 146a, 146b disposti opportunamente, variazione di potenziale la cui ampiezza di picco può risultare amplificata rispetto a quella dei segnali 141, 152a/b e 153a/b con disposizione degli elettrodi e orientamento dell’elemento piezoelettrico opportune.

Il generatore piezoelettrico così descritto à ̈ quindi in grado di generare coppie di segnali rettificandi 152a/b e 153a/b con fase opposta quando gli elettrodi 143a, 143c e 143b, 143d e 144a, 144c e 144b, 144d sono opportunamente collegati, e può inoltre generare coppie di segnali di controllo 151a/b e 155a/b caratterizzati da una ampiezza di picco amplificata rispetto ai segnali rettificandi e aventi fase opposta quando gli elettrodi 145a, 145b e 146a, 146b sono opportunamente collegati.

Detti segnali rettificandi e di controllo possono quindi essere utilizzati in un circuito comprendente almeno due MOSFET del tipo già citato al fine di produrre una forma d’onda rettificata 159a/b con i vantaggi e le caratteristiche già esposte.

Risulta infine chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo descritto senza peraltro uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (10)

1. “GENERATORE ELETTRICO DI CORRENTE CONTINUA ALIMENTATO DA VIBRAZIONI MECCANICHE AMBIENTALI†R I V E N D I C A Z I O N I 1. Un apparato per raccogliere energia da vibrazioni meccaniche e produrre una corrente elettrica continua, detto apparato essendo caratterizzato dal fatto che: - può funzionare correttamente anche quando l’ampiezza di picco delle vibrazioni raccolte produce un segnale elettrico la cui ampiezza di picco à ̈ estremamente ridotta, e - à ̈ caratterizzato da un elevato livello di efficienza, e - può funzionare in un campo esteso di temperature con una variazione di efficienza inferiore rispetto a quella ottenibile nelle stesse condizioni con altri sistemi noti, - richiede un numero di dispositivi transistor inferiore a quello di altri sistemi noti aventi prestazioni paragonabili, e e detto apparato comprendendo: - almeno un generatore che, sotto l’azione delle vibrazioni meccaniche, produce almeno quattro distinti segnali in corrente alternata comprendenti almeno un segnale rettificando (52a/b) ed un segnale rettificando invertito (55a/b) aventi la stessa ampiezza e fase opposta l’uno rispetto all’altro, e comprendenti inoltre almeno un segnale controllo (51a/b) ed un segnale di controllo invertito (54a/b) aventi fase uguale rispettivamente ai segnali rettificando e rettificando invertito ed aventi entrambi ampiezza della tensione picco-picco maggiore dell’ampiezza dei segnali rettificandi; e - almeno due transistor (53, 56) connessi in modo tale da consentire la circolazione di corrente ciascuno in uno diverso dei percorsi dei segnali rettificandi (52a/b and 55a/b) solamente quando i detti transistor (53, 56) sono alternativamente accesi durante un singolo tipo di semionda di uno dei segnali di controllo (51a/b and 54a/b); ed in cui i suddetti generatore e transistor (53, 56) sono collegati insieme ai terminali di massa (58) e di uscita (57) secondo uno schema caratterizzato dal fatto che il verso di flusso della circolazione della corrente che à ̈ alternativamente ammessa nei diversi percorsi dei segnali rettificandi (52a/b e 55a/b) à ̈ associato alla produzione tra massa (58) e terminale di uscita (57) di un segnale di tensione composto da sole semionde (59a, 59b) che hanno la stessa polarità.
2. 2. Un apparato secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che almeno uno dei transistor citati (53, 56) sia un dispositivo caratterizzato da un valore nullo o trascurabile per la tensione di soglia che, applicata tra “gate†e “source†porta il transistor in saturazione.
3. 3. Un apparato secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che almeno uno dei transistor citati à ̈ un MOSFET a canale “n†di tipo “zero threshold†“Electrically Programmable Analog Device†come quelli prodotti dalla azienda “Advanced Linear Devices, Inc.†(CA, USA).
4. 4. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2 o 3 che comprenda almeno un sistema per limitare il valore di picco dei segnali di controllo (51a/b e 54a/b) ad un valore massimo prevenendo la possibilità che i transistor citati (53, 56) possano esserne danneggiati.
5. 5. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3 o 4 caratterizzato dal fatto di comprendere un generatore avente almeno quattro avvolgimenti, o parti di avvolgimento, accoppiati con un flusso magnetico (2) modulato dall’azione delle vibrazioni meccaniche; e in cui il primo avvolgimento (47) ed il secondo avvolgimento (48) hanno entrambi lo stesso senso di avvolgimento, e il primo avvolgimento (47) à ̈ collegato in modo da produrre un segnale di controllo (51a/b) riferito a massa (58) che à ̈ applicato al “gate†di un primo MOSFET a canale “n†(53) avente “source†collegato a massa e “drain†collegato ad un estremo del secondo avvolgimento (48), che à ̈ caratterizzato da un numero di spire inferiore al primo, in modo tale per cui la circolazione di corrente vi à ̈ permessa solo nel senso associato alla presenza di una tensione positiva all’estremo opposto dello stesso avvolgimento (48) quando il primo MOSFET à ̈ mantenuto acceso dal segnale non-negativo applicato al suo stesso “gate†durante i soli semicicli positivi (52b) del segnale rettificando (52a/b) prodotto nel secondo avvolgimento (48); e in cui il terzo (49) ed il quarto (50) avvolgimento sono entrambi caratterizzati da un senso di avvolgimento opposto a quello del primo avvolgimento (47) e il quarto avvolgimento (50) ha un numero di spire uguale a quello del secondo avvolgimento (48) ed al contempo inferiore a quello del terzo avvolgimento (49), e il terzo avvolgimento (49)à ̈ collegato in modo da generare un segnale di controllo invertito (54a/b) riferito a massa (58) che ha fase opposta rispetto a quella del segnale rettificando (52a/b), e tale segnale di controllo invertito (54a/b) à ̈ applicato al “gate†di un secondo MOSFET (56) di tipo analogo a quello del primo MOSFET (53) e avente “source†connesso a massa (58) e “drain†connesso all’altro capo del quarto avvolgimento (50) in modo tale per cui vi à ̈ permessa circolazione di corrente solo nel verso associato con la produzione di una tensione positiva al capo opposto dello stesso avvolgimento (50) quando il secondo MOSFET (56) à ̈ portato in accensione dalla semionda positiva (54b) del segnale di controllo invertito (54a/b) che à ̈ applicato al suo “gate†in sincronia con la semionda positiva (55b) del segnale rettificando invertito (55a/b) prodotto nel quarto avvolgimento (50); e il segnale in uscita à ̈ reso disponibile al terminale di uscita (57) che connette insieme i capi del secondo e del quarto avvolgimento (48, 50) ai quali sono indotte le già menzionate tensioni positive.
6. 6. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 o 5 caratterizzato dal fatto che il flusso magnetico (2) concatenato con gli avvolgimenti (47, 48, 49, 50) del generatore à ̈ modulato dal movimento relativo tra almeno un magnete (1) e gli avvolgimenti (47, 48, 49, 50) sotto l’azione delle vibrazioni.
7. 7. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 o 5 caratterizzato dal fatto che il flusso magnetico (2) concatenato con gli avvolgimenti (47, 48, 49, 50) del generatore à ̈ modulato dalla deformazione di almeno un elemento magnetostrittivo sotto l’azione delle vibrazioni.
8. 8. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 o 5 caratterizzato dal fatto che il flusso magnetico (2) concatenato con gli avvolgimenti (47, 48, 49, 50) del generatore à ̈ modulato da cambiamenti del circuito magnetico (2) operati sotto l’azione delle vibrazioni.
9. 9. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3 o 4 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un generatore piezolettrico comandato dall’azione delle vibrazioni.
10. 10. Un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4 o 9 caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un generatore piezoelettrico (147) avente una pluralità di elettrodi (142a/b/c/d, 143a/b/c/d, 144a/b/c/d, 145a/b e 146a/b) accoppiati ad almeno un elemento piezoelettrico (148a/b) secondo una configurazione che, sotto l’azione delle vibrazioni, produca: - almeno un segnale rettificando in corrente alternata (152a/b), e - almeno un segnale di controllo in corrente alternata (151a/b) che abbia la stessa fase e ampiezza di tensione picco-picco maggiore rispetto al segnale rettificando (152a/b), e - almeno un segnale rettificando invertito in corrente alternata (153a/b) avente la stessa ampiezza di tensione picco-picco e fase opposta rispetto al già citato segnale rettificando (152a/b), e - almeno un segnale di controllo invertito in corrente alternata (155a/b) che abbia la stessa fase e ampiezza di tensione picco-picco maggiore rispetto al segnale rettificando invertito (153a/b), e il suddetto apparato comprenda almeno un primo MOSFET a canale “n†(154) avente il “gate†comandato del segnale di controllo (151a/b), il “source†collegato a massa (157) e il “drain†collegato al circuito del segnale rettificando (152a/b) in modo che sia permessa la circolazione di corrente solo quando il primo MOSFET (154) viene acceso dalla semionda non-negativa (151a) del segnale di controllo in modo sincrono alla semionda positiva (152a) del segnale rettificando (152a/b); e il suddetto apparato comprenda inoltre almeno un secondo MOSFET a canale “n†(156) avente il “gate†comandato del segnale di controllo invertito (155a/b), il “source†collegato a massa (157) e il “drain†collegato al circuito del segnale rettificando invertito (153a/b) in modo che sia permessa la circolazione di corrente solo quando il secondo MOSFET (156) viene acceso dalla semionda positiva (155a) del segnale di controllo inverso (155a/b) in modo sincrono alla semionda positiva (153a) del segnale rettificando (153a/b)