ITFI20070264A1

ITFI20070264A1 - DC / DC CONVERTER OPERATING AT LOW VOLTAGE.

Info

Publication number: ITFI20070264A1
Authority: IT
Inventors: Paolo Bert; Marina Ragnoli; Alessandro Tampucci
Original assignee: Acta Spa
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-24

Description

Domanda di brevetto per Invenzione Industriale dal titolo: Patent application for Industrial Invention entitled:

Convertitore DC/DC operante a bassa tensione DC / DC converter operating at low voltage

Campo dell’invenzione Field of the invention

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo elettrico costituito da un interruttore a lamina (Reed) associato ad una bobina di materiale metallico, in grado di operare in corrente continua e atto a fornire una tensione in uscita di valore maggiore rispetto alla tensione in ingresso (step-up converter). Tale convertitore può operare con tensioni di lavoro molto basse e senza una soglia d’innesco della tensione superiore alla tensione di lavoro. The present invention refers to an electrical device consisting of a reed switch associated with a coil of metallic material, capable of operating in direct current and capable of supplying an output voltage of greater value than the input voltage ( step-up converter). This converter can operate with very low working voltages and without a voltage trigger threshold higher than the working voltage.

Stato dell’arte State of the art

I dispositivi step-up operanti in corrente continua sono ampiamente utilizzati all’interno di apparecchiature portatili alimentate da batterie (es. telefoni cellulari, computer laptop, etc.). Step-up devices operating in direct current are widely used in portable equipment powered by batteries (eg. Mobile phones, laptop computers, etc.).

Tali dispositivi contengono vari sotto-circuiti, ognuno dei quali può richiedere una tensione propria, diversa da quella fornita dalla batteria. Inoltre la tensione della batteria decresce con il progressivo uso dell’apparecchiatura. These devices contain various sub-circuits, each of which may require its own voltage, different from that supplied by the battery. In addition, the battery voltage decreases with the progressive use of the equipment.

I dispositivi step-up consentono, a partire da un’unica batteria, di generare molteplici valori di tensione ovviando così alla necessità di avere altrimenti numerose batterie, ognuna delle quali tarata su un singolo valore di tensione. The step-up devices allow, starting from a single battery, to generate multiple voltage values, thus obviating the need to otherwise have numerous batteries, each of which is calibrated on a single voltage value.

I dispositivi step-up attualmente presenti in commercio sono costituiti da circuiti integrati composti generalmente da almeno cinque componenti: un interruttore semiconduttore, un diodo, un induttore, un condensatore e un controller della potenza. The step-up devices currently available on the market consist of integrated circuits generally composed of at least five components: a semiconductor switch, a diode, an inductor, a capacitor and a power controller.

Nella fase iniziale di accensione tale step-up richiede una tensione minima d’innesco pari ad almeno 0,8 Volts, per poi operare, nel migliore dei casi, con una tensione minima in ingresso pari a 0,3 Volts. In the initial ignition phase, this step-up requires a minimum ignition voltage of at least 0.8 Volts, to then operate, in the best of cases, with a minimum input voltage of 0.3 Volts.

La presenza della soglia d’innesco rende tuttavia impossibile impiegare talo tipo di However, the presence of the trigger threshold makes it impossible to use this type of

come ad esempio quelli collegati a generatori termoelettrici o con celle a combustibile. such as those connected to thermoelectric generators or with fuel cells.

B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531) descrivono un dispositivo alternativo basato sull’impiego di un interruttore a lamina magnetica (Reed) “normalmente chiuso” avvolto da una bobina di materiale metallico conduttivo (Fig. 1). Il passaggio della corrente attraverso la bobina metallica induce un campo magnetico che contrasta con il campo magnetico attrattivo presente tra le due lamine, aprendo in tal modo il circuito ed isolandolo dalla batteria B. Ciò comporta la scomparsa del campo magnetico repulsivo e la chiusura delle lamine del Reed e del circuito associato. La ripetizione di questa sequenza genera nel tempo una corrente alternata, che alimenta il trasformatore T, il quale agisce da step-up. La presenza di un diodo D ed un condensatore C consentono di ottenere nuovamente una corrente continua, con una tensione maggiore di quella alimentata dalla batteria B. B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531) describe an alternative device based on the use of a "normally closed" magnetic foil switch (Reed) wound by a coil of conductive metal material (Fig. 1). The passage of current through the metal coil induces a magnetic field that contrasts with the attractive magnetic field present between the two plates, thus opening the circuit and isolating it from battery B. This involves the disappearance of the repulsive magnetic field and the closure of the plates of the Reed and the associated circuit. The repetition of this sequence generates an alternating current over time, which feeds the transformer T, which acts as a step-up. The presence of a diode D and a capacitor C allow to obtain a direct current again, with a voltage higher than that supplied by battery B.

In questo modo è possibile ottenere lo stesso effetto di uno step-up costituito da un circuito integrato, senza tuttavia necessitare di una tensione d’innesco. Il circuito descritto nell’articolo di B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531) è in grado di autoinnescarsi, senza tensioni di soglia, a valori di inferiori a 0,3 Volts. In this way it is possible to obtain the same effect as a step-up consisting of an integrated circuit, without however requiring a trigger voltage. The circuit described in the article by B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531) is capable of self-priming, without threshold voltages, at values of less than 0.3 Volts.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

La Fig. 1 descrive un dispositivo DC-DC step-up basato su di un interruttore reed. Fig. 1 describes a step-up DC-DC device based on a reed switch.

La Fig. 2 descrive un dispositivo DC-DC step-up oggetto dell’invenzione. Fig. 2 describes a step-up DC-DC device object of the invention.

Descrizione dettagliata dell’invenzione Detailed description of the invention

Lo scopo di questa invenzione è la realizzazione di un dispositivo che consenta di ottenere una tensione in uscita superiore alla tensione d’ingresso e senza richiedere una tensione d’innesco superiore alla tensione di lavoro. Analogamente al dispositivo descritto da B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531), come sopra descritto in relazione alla Figura 1, l’oggetto della presente invenzione è costituito da un Reed (interruttore a lamina) avvolto con una bobina di materiale metallico conduttivo. The purpose of this invention is the realization of a device that allows to obtain an output voltage higher than the input voltage and without requiring a trigger voltage higher than the working voltage. Similarly to the device described by B. Shen et al. (24th International Conference on Thermoelectrics, June 2005, 529-531), as described above in relation to Figure 1, the object of the present invention consists of a Reed (foil switch) wound with a coil of conductive metal material.

Come si vede dalla Fig. 2 il dispositivo secondo l’invenzione prevede la presenza, nel circuito noto, di un dispositivo M capace di generare un campo magnetico (per esempio un magnete) e disposto in prossimità dell’interruttore a lamina magnetica I (Reed). As can be seen from Fig. 2, the device according to the invention provides for the presence, in the known circuit, of a device M capable of generating a magnetic field (for example a magnet) and arranged near the magnetic foil switch I (Reed ).

Tale artificio consente di modificare il campo magnetico intrinseco associato all’interruttore Reed. In questo modo è possibile utilizzare sia Reed “normalmente chiusi” che gli assai meno costosi Reed “normalmente aperti”, a seconda della direzione e dell’intensità del campo magnetico generato dal magnete ausiliario. This device allows you to change the intrinsic magnetic field associated with the Reed switch. In this way it is possible to use both "normally closed" Reeds and the much less expensive "normally open" Reeds, depending on the direction and intensity of the magnetic field generated by the auxiliary magnet.

La distanza massima tra il dispositivo M e l’interruttore a lamina I deve essere tale per cui, nel caso l’interruttore I sia nella The maximum distance between the device M and the foil switch I must be such that, if the switch I is in the

da M sia sufficiente a chiudere il contatto tra le lamine magnetiche di I. Nel caso l’interruttore I sia nella configurazione “normalmente chiuso”, la distanza tra M ed I deve essere la massima per mantenere chiuso il contatto tra le lamine ma al contempo ottenere il massimo rendimento tra la corrente in ingresso e la corrente in uscita. Evidentemente tale distanza è funzione dell’intensità del campo magnetico generato dal magnete M e della resistenza esercitata dall’interruttore I. from M is sufficient to close the contact between the magnetic foils of I. If the switch I is in the "normally closed" configuration, the distance between M and I must be the maximum to keep the contact between the foils closed but at the same time obtain the maximum efficiency between the input current and the output current. Obviously, this distance is a function of the intensity of the magnetic field generated by the magnet M and the resistance exerted by the switch I.

In funzione dell’intensità del campo magnetico ausiliario e della distanza del magnete dal punto di contatto delle lamine del Reed, è possibile innescare il dispositivo step-up con tensioni molto basse (minori di 0,05 Volts) ed ottenere tensioni in uscita in grado di alimentare dispositivi quali motori elettrici o luci led (superiori a 3 Volts). Parimenti, la presenza del magnete riduce il valore minimo di intensità di corrente necessario per indurre sulla bobina conduttiva un campo magnetico sufficiente a generare e mantenere la sequenza di apertura/chiusura del Reed. In tal modo il circuito realizzato dalla Richiedente può operare con tensioni e intensità di corrente notevolmente inferiori ai prodotti presenti sul mercato o descritti in letteratura. Depending on the intensity of the auxiliary magnetic field and the distance of the magnet from the contact point of the Reed blades, it is possible to trigger the step-up device with very low voltages (less than 0.05 Volts) and obtain output voltages capable of to power devices such as electric motors or LED lights (higher than 3 Volts). Likewise, the presence of the magnet reduces the minimum value of current intensity necessary to induce on the conductive coil a magnetic field sufficient to generate and maintain the opening / closing sequence of the Reed. In this way the circuit made by the Applicant can operate with considerably lower voltages and current intensities than the products available on the market or described in the literature.

Preferibilmente il dispositivo capace di generale un campo magnetico è un magnete permanente che, nel caso i componenti metallici del Reed o il filo metallico elettroconduttivo siano magnetizzabili, aderisce direttamente a uno di questi. Qualora ciò non sia efficace, la Preferably the device capable of generally a magnetic field is a permanent magnet which, if the metal components of the Reed or the electroconductive metal wire are magnetizable, adheres directly to one of these. If this is not effective, the

metodologie alternative, quali l’incollaggio. alternative methods, such as gluing.

Se preferito, analogamente ai circuiti noti, anche il circuito step-up secondo l’invenzione può comprendere un diodo (D), che raddrizza la corrente alternata in uscita, ottenendo in tal modo una corrente continua in uscita dal Reed, e un condensatore elettrolitico (C) disposto in parallelo al carico applicato (che in figura 2 è costituito dal led L). If preferred, similarly to the known circuits, also the step-up circuit according to the invention can comprise a diode (D), which rectifies the alternating current at the output, thus obtaining a direct current at the output of the Reed, and an electrolytic capacitor (C) arranged in parallel to the applied load (which in figure 2 consists of the LED L).

I seguenti esempi illustrano le prestazioni ottenibili da un circuito contenente il dispositivo oggetto della presente invenzione. The following examples illustrate the performances obtainable from a circuit containing the device object of the present invention.

ESEMPIO 1 EXAMPLE 1

È stato costruito un circuito elettrico di configurazione analoga alla Figura 2. La bobina metallica avvolgente il Reed è stata realizzata utilizzando filo di rame di diametro 0,20 mm, il magnete M esercita una forza di attrazione di 140 g, il condensatore elettrolitico C ha una capacità di 470 pF e il carico applicato in uscita (OUT) è stato applicato mediante una resistenza R da 6000 Ω. An electric circuit with a configuration similar to Figure 2 was built. The metal coil surrounding the Reed was made using copper wire with a diameter of 0.20 mm, the magnet M exerts a force of attraction of 140 g, the electrolytic capacitor C has a capacitance of 470 pF and the load applied at the output (OUT) was applied through a 6000 Ω resistor R.

I valori di tensione misurati in ingresso ed in uscita da circuito sono riportati in Tabella 1. The voltage values measured in input and output from the circuit are shown in Table 1.

Tabella 1. Valori di tensione in ingresso ed in uscita dal circuito. Table 1. Input and output voltage values from the circuit.

V,N(Volts) VOUT (Volts) V, N (Volts) VOUT (Volts)

0,05 0,50 0.05 0.50

0,10 1,00 0.10 1.00

0,20 2,80 0.20 2.80

0,30 3,90 0.30 3.90

0,40 5.00 0.40 5.00

0,50 6.00 0.50 6.00

0,60 7,40 0.60 7.40

0,70 7,85 0.70 7.85

Claims

Claims: 1. DC-DC step-up converter consisting of a circuit comprising a magnetic foil switch wound with a coil of conductive metal material and a device capable of generating a magnetic field placed near the foil switch.

2. Converter according to claim 1 in which the switch is of the "normally open" type

3. Converter according to claim 1 in which the switch is of the "normally closed" type

4. Converter according to claim 2 wherein said device capable of generating a magnetic field is arranged with respect to the foil switch so that the magnetic field generated by it is sufficient to close the contact between the magnetic foils.

5. Converter according to claim 3 wherein said device capable of generating a magnetic field is arranged with respect to the foil switch at the maximum distance that allows to keep the contact between the foils closed but at the same time obtain the maximum efficiency between the input current and the output current.

6. Converter according to claims 1 - 5, wherein said device capable of generating a magnetic field is a permanent magnet or an electromagnet.

7. Converter according to claim 6 wherein said device capable of generating a magnetic field is fixed to the components of the circuit by magnetic adhesion or with traditional fixing means.

8. Converter according to claim 7 wherein the device capable of generating a magnetic field is fixed to the circuit by gluing.

9. Electric circuits containing the converter described according to claims 1 - 4.