PT1436505E - Electrónica de conversão de energia ressonante comutada - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

ELECTRÓNICA DE CONVERSÃO DE ENERGIA RESSONANTE COMUTADA

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se ao controlo da transferência de energia de um gerador de energia eléctrica a uma carga para aumentar a eficácia da transferência.

Por exemplo, um gerador de energia eléctrica capacitiva pode incluir um dispositivo piezoeléctrico que funciona como um gerador capacitivo piezoeléctrico (PEG) que produz um sinal eléctrico quando está submetido a tensões e esforços mecânicos. Os sinais eléctricos de um ou mais destes dispositivos piezoeléctricos podem ser processados para produzir uma energia eléctrica que pode ser utilizado para operar dispositivos eléctricos/electrónicos e/ou que pode ser uma parte de uma rede de energia eléctrica. Os sistemas que usam dispositivos piezoeléctricos para produzir energia eléctrica estão por exemplo mostrados nos Pedidos Patentes norte-americanas Nos. US-5,552,656 e US 5, 703, 474 publicadas em 3 de Setembro de 1996 e em 30 de Dezembro 1997, respectivamente, e que foram cedidas ao cessionário do presente Pedido de Patente. Outro exemplo pode ser encontrado no Pedido Internacional de Patente WO 03/016711.

Os dispositivos piezoeléctricos utilizados como geradores de energia eléctrica estão caracterizados por uma ineficiência inerente na transformação ("acoplamento") dos esforços e das tensões mecânicas numa carga eléctrica. Como resultado, apenas uma pequena parte (por exemplo, aproximadamente 10%) da tensão/esforço mecânico aplicado a um dispositivo piezoeléctrico está disponível como energia 1/35 eléctrica quando uma carga constante é aplicada ao dispositivo piezoeléctrico. É portanto desejável aumentar a eficácia, com a qual a energia gerada por um dispositivo piezoeléctrico é transferida a uma carga, para compensar e ultrapassar o factor de "acoplamento" baixo dos dispositivos piezoeléctricos.

Um método conhecido para aumentar a eficácia da transferência do gerador piezoeléctrico a uma carga inclui formar um circuito ressonante. Este é por exemplo mostrado na figura 1 que é uma representação de um diagrama de blocos altamente simplificado de um circuito do gerador piezoeléctrico de energia eléctrica da técnica anterior. As tensões e/ou esforços aplicados ao dispositivo piezoeléctrico são providos por fontes de energia (por exemplo, ondas do oceano, vento, remoinhos de água) que podem variar lentamente (por exemplo, poucos ciclos por segundo). Consequentemente, os dispositivos piezoeléctricos podem ser accionados a frequências muito baixas e a frequência dos sinais eléctricos produzidos por estes dispositivos piezoeléctricos é também da ordem de poucos ciclos por segundo. Estas frequências baixas de funcionamento apresentam problemas significativos para a transferência eficaz da energia do dispositivo piezoeléctrico a uma carga.

Por exemplo é difícil de formar indutores e transformadores com um tamanho razoável e a um custo razoável que possam funcionar a estas frequências. Referindo a figura 1, a título de exemplo notar que o circuito inclui um dispositivo piezoeléctrico 22 acoplado por um indutor 16 a uma carga 27. A frequência ressonante (fo) do circuito pode ser expressa como fo = 1 / 2^r(LCp)5; em que Cp é a capacitância do dispositivo piezoeléctrico 22; e L é a 2/35 indutância do indutor 16, com o valor de L seleccionado para ressonar com a capacitância do dispositivo piezoeléctrico. [Nota: para facilitar a explicação e discussão, a contribuição de outras capacitâncias no circuito foi ignorada na descrição e nas reivindicações anexas]. Podemos presumir que a capacitância de Cp está dentro da margem de 0.01 a 10 microfarads (10~6 farads). Presumir agora que a frequência do sinal eléctrico produzido pelo dispositivo piezoeléctrico em resposta à força motriz mecânica é da ordem de 2Hz. Então, para ter um circuito que ressone a 2 Hz, será necessário um indutor 16 que tenha um valor na ordem de 12,000 henries. Um indutor deste valor será do tamanho de um quarto pequeno. Além disso, a ressonância eléctrica directa não é prática pela variabilidade prevista da frequência devido à natureza aleatória das ondas do oceano.

RESUMO DA INVENÇÃO A invenção do Titular reside em parte no reconhecimento de que enquanto que um dispositivo gerador de energia que é posto a funcionar a uma baixa frequência capta a energia a um índice de baixa frequência, a energia acumulada pode ser extraída a uma frequência muito mais alta. A extracção da energia a uma frequência mais alta possibilita o uso de componentes, tais como indutores, que têm valores e tamanhos razoáveis quando comparados com os sistemas da técnica anterior. A invenção do Titular reside também no reconhecimento de que um circuito que extrai energia pode ser comutado periodicamente para estar em circuito com um dispositivo gerador de energia com o circuito que extrai a energia incluindo elementos que podem ressonar com o circuito 3/35 gerador de energia a uma frequência mais alta que, e independente da frequência com o qual é o dispositivo gerador de energia é posto a funcionar. Assim, o dispositivo gerador de energia eléctrica accionado e controlado por uma fonte de energia que muda lentamente (por exemplo as ondas do oceano, o vento, os remoinhos de água) pode desenvolver energia a uma frequência e pode ser accionado para transferir a energia a outra frequência. A invenção do Titular reside também no reconhecimento de que uma carga indutiva pode ser comutada periodicamente num circuito com um circuito gerador de energia capacitiva por um periodo de tempo seleccionado para maximizar a energia extraida do circuito gerador de energia. A invenção do Titular reside também no reconhecimento de quando o gerador de energia capacitiva produz um sinal eléctrico oscilatório é preferível comutar um circuito indutivo extractor de energia nos picos positivos e negativos do sinal oscilatório eléctrico. A invenção do Titular reside também no reconhecimento de que quando o gerador de potência capacitiva produz um sinal oscilatório eléctrico a uma primeira baixa frequência (f1), comutando no sistema um circuito extractor de energia indutiva desenhado para ressonar com o gerador de potência capacitiva a uma frequência ressonante (fo) que é substancialmente maior do que f1, nos picos positivos e negativos do primeiro sinal oscilatório eléctrico, de forma a que a energia será extraída num pulso eléctrico que começa no fecho do interruptor e termina quando a corrente atinge zero no indutor. 0 tempo de fecho do interruptor Tc é igual a aproximadamente 1/2Í0, em que fo é a frequência ressonante da fonte e do circuito de carga. 4/35 A invenção do Titular reside também nos circuitos e dispositivos para a detecção fiável e precisa do pico ou dos picos dos sinais oscilatórios eléctricos. A invenção do Titular reside também em determinar as condições de carga preferíveis a aplicar ao circuito gerador de energia capacitiva. A invenção do Titular reside também num esquema de circuitos eléctricos para controlar o ligar e o desligar do interruptor acoplando selectivamente o circuito de extracção de energia indutiva ao gerador de energia capacitiva.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Nas figuras que acompanham a Presente invenção, os caracteres de referência indicam os mesmos componentes; e A figura 1 é um diagrama de circuitos simplificado de um sistema da técnica anterior que usa dispositivos piezoeléctricos para gerar energia eléctrica; A figura 2 é um diagrama de blocos de um sistema para gerar energia de acordo com a invenção; A figura 3 é um diagrama esquemático de circuito simplificado de uma forma de realizar a invenção;

As figuras 3B e 3C são diagramas esquemáticos simplificados que mostram formas diferentes de realizar a invenção; 5/35 A figura 3D é um diagrama esquemático de um circuito que realiza a invenção usando interruptores MOSFET; A figura 4 é um diagrama de formas de onda que ilustra diferentes formas de onda associadas ao circuito da figura 3A; A figura 5 é um diagrama de formas de onda dos sinais produzidos em circuitos que realizam a invenção; A figura 6 é um diagrama de circuitos que mostra os valores seleccionados para certos componentes; A figura 7 é uma forma de onda de uma tensão constante produzida em circuitos que realizam a invenção; A figura 8 é um diagrama de formas de onda de pulsos de corrente de carga constante produzidos nos circuitos que realizam a invenção; A figura 9 é um diagrama de circuitos simplificado de outro circuito que realiza a invenção; A figura 10 é um diagrama de circuitos simplificado mostrando um circuito de comutação de acordo com a invenção; A figura 11 é um circuito de rectificação simplificado para ser usado nos circuitos que realizam a invenção;

As figuras 12A, 12B, 12C, 12D, 12E, e 12F são diagramas que ilustram várias condições de sinal associadas à detecção dos picos; 6/35

As figuras 12G e 12H são diagramas que ilustram um esquema de detecção do pico que realizam a invenção; e

As figuras 13, 14,15 e 16 são diagramas que ilustram outros esquemas de detecção do pico que realizam a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A figura 2 inclui um dispositivo piezoeléctrico 22, também denominado na presente invenção PEG1, que pode ser colocado num meio no qual é submetido a uma tensão mecânica. A titulo ilustrativo, suponhamos que PEG1 é colocado num meio (por exemplo, um oceano, um rio, um moinho de vento) de forma a que PEG1 é submetido a uma tensão e/ou esforço e produz um sinal eléctrico, cuja amplitude e frequência varia como função da amplitude e da frequência da força motriz mecânica (por exemplo uma onda do oceano). PEGl funciona para acumular energia a ele transmitido a partir do meio no qual está colocado. PEGl provê então a sua energia acumulada ao sistema ao qual está conectado. Neste exemplo é suposto que PEGl produz uma tensão oscilatória, devido a uma força mecânica oscilatória a ele aplicada. 0 dispositivo piezoeléctrico 22 é selectivamente acoplado via um interruptor 24 "inteligente" a uma extremidade de um circuito indutivo 26 cuja outra extremidade está conectada à carga 27. 0 interruptor 24 refere-se a um interruptor "inteligente", porque que sua conexão (fecho) e o tempo que ele está ligado é controlado cuidadosamente. 0 interruptor inteligente 24 pode incluir um interruptor SI que pode ser um interruptor electrónico ou um contacto de relé ou qualquer outro dispositivo que proveja uma conexão de impedância muito baixa para uma condição de sinal (fecho do interruptor) e uma impedância muito alta para outra 7/35 condição de sinal (interruptor aberto). 0 ligar e o desligar o interruptor inteligente 24 é controlado por uma rede 34 como serão também abaixo detalhados. 0 circuito indutivo 26 pode incluir um indutor com uma indutância L. 0 valor do indutor é seleccionado de forma a que, quando o interruptor SI esteja fechado, o indutor 26 ressona com a capacitância Cp do dispositivo piezoeléctrico 22. Na figura 2, o lado de saída do indutor 26 está conectado a uma carga 27 que inclui um circuito de rectificação 28 cuja saída está conectada a um condensador de armanezamento 29 que está acoplado a um conversor DC/DC 30 que carga uma bateria 35 e regula a carga da bateria.

Referindo a figura 3A, que é um circuito equivalente simplificado da forma de realizar a invenção mostrado na figura 2, é de notar que o dispositivo piezoeléctrico (PEG) pode ser representado por uma fonte de tensão Ep conectada em série com um condensador Cp entre os terminais 31 e 33 e uma resistência Rp conectada entre os terminais 31 e 33 de forma a que conecte em paralelo a fonte de tensão Ep em série com Cp. A resistência Rp representa uma resistência de perda dieléctrica equivalente do material piezoeléctrico (PVDF) combinada com uma perda eficiente resultante da diferença de fase entre o esforço e a voltagem dentro de um elemento piezoeléctrico sob uma força mecânica oscilatória. Tipicamente, o valor óhmico de Rp é na ordem de vários mega-ohms. Numa forma de realizar a invenção foi determinado que o condensador Cp tenha um valor de 0.45 microfarads. O PEG inclui também uma resistência de eléctrodo (Reléctrodo) mostrada conectada entre os nodos 30 e 31. A fonte de tensão Ep produz uma tensão, cuja amplitude e frequência é uma função da amplitude e da frequência da força motriz mecânica que a submete a uma 8/35 tensão. A amplitude de Ep pode variar numa margem ampla (por exemplo entre 0 e 500 volts) e sua frequência pode variar tipicamente numa ordem que vai desde Ohz até vários ciclos por segundo.

Num aspecto a invenção do Titular refere-se à extracção da energia acumulada no gerador piezoeléctrico, conectando selectivamente um elemento indutivo 26 num circuito com o gerador de energia eléctrica, provocando a transferência da energia de Cp no elemento indutivo e carregar a uma frequência ressonante que é determinada principalmente pela capacitância de Cp e a indutância (L) do elemento indutivo (LI ou 26). O valor L do elemento indutivo 26 é seleccionado de forma a que a frequência ressonante (fo) devido a Cp e o elemento indutivo 26 seja consideravelmente maior do que a frequência de "entrada" máxima (fl) da força mecânica de entrada ou aquela do sinal eléctrico produzido por PEG1 em resposta a estar submetido a uma tensão e/ou a um esforço.

Numa forma de realizar a invenção, presumindo que uma frequência de excitação de 2Hz e um Cp de 0.45 microfarads, a frequência ressonante foi seleccionada a aproximadamente 70Hz, para o qual foi usado um indutor 26 que tem um valor de aproximadamente 11.6 henries para conectar selectivamente PEG1 à carga 27. Para a forma particular de realizar a invenção, o valor da série da resistência de enrolamento (Rw) do indutor LI foi 65 ohms e a resistência do eléctrodo (Reléctrodo) de PEG1 foi 100 ohms, pelo que a resistência em série do "anel" (Rs) que representa a soma de Rw e do Reléctrodo foi de 165 ohms.

Na figura 3A, a carga 27 está representada por uma resistência. No entanto deverá ser entendido, que como está 9/35 mostrado na figura 2, a carga 27 pode ser uma carga complexa (incluindo várias redes resistentes e/ou indutivas e/ou elementos capacitivos). A carga 27, como é mostrado na figura 2, pode incluir também um rectificador em ponte 28 para converter os pulsos de energia positiva e negativa gerados pelo circuita numa fonte de energia unidireccional, um condensador de armanezamento temporal 29, uma bateria 35 para armazenar a carga, e um conversor DC/DC 30 para transferir a carga do condensador de armanezamento temporal 29 à bateria 35 com a voltagem requerida para carregar a bateria e armazenar a carga acumulada.

Um aspecto importante da invenção é que: (a) o circuito formado durante o fecho do interruptor SI tem uma frequência ressonante (fo) principalmente determinada pela capacitância da fonte Cp e a indutância do indutor 26 incluindo qualquer outra indutância de série ao longo do anel [No entanto, para facilitar a discussão, outras indutâncias diferentes das do indutor 26 foram desprezadas.]; (b) fo é feito para ser consideravelmente maior do que fl, em que fl é a frequência da entrada ou sinal de excitação (Ep) gerado por PEG1; (c) o interruptor SI é fechado no pico (positivo e negativo) do sinal de entrada (Ep); e (d) o interruptor SI é fechado durante um período de tempo (Tc) aproximadamente igual a uma metade de um ciclo da frequência ressonante fo, durante o qual um pulso de carga move-se desde a fonte PEG1 até à carga. O interruptor SI é 10/35 fechado durante um período que é suficientemente longo para permitir que a corrente flua através do indutor até que a corrente atinja zero. 0 interruptor SI é então aberto. A abertura e o fecho do interruptor SI pode ser realizada de várias maneiras, como o abaixo discutido. Uma maneira é com um interruptor autocomutador (de "auto-extinção") que é ligado quando é activado e desliga-se quando a corrente atinge zero. Outra maneira é a de controlar activamente o ligar e o desligar do interruptor Sl. A forma de funcionar do circuito da figura 3A pode ser melhor explicada fazendo referência aos diagramas de formas de onda mostradas na figura 4 e a forma de onda A da figura 5 e presumindo que: (a) o sinal eléctrico gerado por PEG é um sinal senoidal, (b) quando Ep atinge um pico (negativo ou positivo) no tempo tl, t3, t5, etc.., o interruptor Sl é posto em funcionamento fechado (isto é, ligado). (c) Quando a corrente que flui através do interruptor Sl atinge zero, ou aproximadamente zero, o interruptor é aberto até ao seguinte pico/depressão do sinal de entrada.

Para facilitar a ilustração, presumir também que a frequência de extinção é 2Hz e a frequência ressonante é 70Hz, pelo qual o período (Tc) é aproximadamente de 7 milésimos de segundo. Referindo as figuras 4 e 5 a forma de funcionamento do circuito para ligar Sl nos picos positivos e negativos do sinal de entrada Ep pode ser descrita como segue: 11/35 1- Funcionamento do circuito desde o tempo tO até ao tempo tl: o interruptor SI é aberto e à medida que Ep aumenta desde 0 volts a um pico de El, a voltagem (Vx) na placa X Cp aumenta também a um valor de El. 2- Funcionamento do circuito desde o tempo tl até til: quando o interruptor SI é fechado no tempo tl, Vx vai desde um valor de El a um valor de aproximadamente (—) El. Isto é, depois do fecho do interruptor, o circuito ressonante (condensador Cp e indutor L26) causa uma inversão da voltagem na placa X do condensador Cp durante a primeira metade do ciclo do circuito ressonante. Notar que é durante este periodo que a energia é extraída de PEG e transferida ao circuito de carga. 0 interruptor SI mantém-se fechado durante o tempo em que a corrente passa através dele. Quando a corrente através do interruptor SI atinge zero, ou aproximadamente zero, o interruptor SI abre-se (ou é activamente aberto) no tempo til. 3- Funcionamento do circuito desde o tempo til até ao tempo t3: no tempo til, com Vx perto de (—) El, o interruptor SI abre-se. Então, depois de que Ep tenha ido de El até aproximadamente (—) El, desde o tempo til até ao tempo t3, a voltagem em Vx segue ao da Ep, e assim Vx vai desde (-)El no período til até (—)3(El) no tempo t3. 4- Funcionamento do circuito desde o tempo t3 até ao tempo t31: no tempo t3 Ep em (-)El e Vx em (-)3(E1), o interruptor SI é fechado no tempo t3, formando o circuito ressonante em série que inclui Cp e L26.,0 circuito ressonante causa uma inversão na polaridade da voltagem na placa X de Cp com a voltagem Vx passando de (-)3El a perto de +3E1. Desde o tempo t3 até ao tempo t31, a carga é empurrada através da carga. No tempo t31, depois de que um 12/35 pulso de carga se tenha movido através do interruptor e a corrente no interruptor volte a zero, o interruptor Sl abre-se ou é aberto. Como o anterior, é durante o periodo de tempo de t3 a t31 que a energia é extraída de PEG e transferida ao circuito de carga. 5- Funcionamento do circuito desde o tempo t31 até ao tempo t5: à medida que Ep vai desde -EI no tempo t31 a +E1 no tempo t5, Vx segue desde um valor de +3EI a um valor de +5 EI. 6- 0 funcionamento acima descrito é repetido em cada pico e depressão positiva (depressão ou pico negativo) do sinal de entrada. No entanto, em vez de aumentar indefinidamente, a voltagem de Vx aproxima-se a um valor constante, quando as perdas eléctricas no sistema ressonante, incluindo a perda de energia na carga, impeçam que a própria voltagem de Vx se inverta por completo. Consequentemente, a amplitude do sinal em Vx atinge um valor quiescente como o mostrado nas figuras 4, 5, 7 e 8. Quando o sistema atinge o estado constante, a energia extraída em forma de pulsos ressonantes iguala a energia subministrada pela fonte de energia de entrada PEG1. Quando o circuito ressonante não é sobreamortecido e se deixa que a voltagem em Vx aumente, então a magnitude da voltagem constante em Vx será grande em comparação com a de Ep. 7- Nos circuitos que realizam a invenção, a extracção de energia dá-se durante um tempo Tc; em que Tc é igual a l/2fo, e em que fo é a frequência ressonante do anel em série com o interruptor fechado. Para o circuito simplificado que mostra PEG1 em série com um interruptor, um elemento indutivo e uma carga: fo é aproximadamente 13/35 igual a l/2jt(LCp)5 e o interruptor está fechado por um período de tempo que é aproximadamente igual a Tc = π(ΙΧ!ρ)0'5. 8- Em referência à forma de onda para Vcarga na figura 5, notar que os pulsos da corrente através do elemento resistivo resultam em pulsos durante um período de tempo Tc seguindo a cada pico (por exemplo nos tempos tl, t3 e t5) da onda sensoidal de entrada. Para cada pulso, a corrente sobe desde zero aumenta até ao seu valor máximo e volta de novo a zero a um tempo Tc depois de cada fecho de interruptor correspondente a um pico. Há uma compensação entre o aumento da voltagem e a extracção da energia eléctrica, como a que há em qualquer sistema ressonante. Consequentemente, há uma carga óptima para transferir a energia máxima que usa este método. Uma aproximação deste óptimo e máximo pode ser matematicamente derivada ou computada empiricamente.

Teoria de funcionamento [Notar que determinadas aproximações razoáveis e realistas foram feitas com a análise matemática abaixo] 0 funcionamento do circuito é melhor descrito com referência ao esquema mostrado na figura 6. Na figura 6, Rp representa uma resistência de perda dieléctrica equivalente à do PVDF e Rs um termo de perda de série igual ao efeito combinado da resistência de enrolamento de bobina e a resistência do eléctrodo do elemento piezoeléctrico. Assim, Rs = Rw + Reléctrodo · Numa forma de realizar a invenção, a fonte de tensão de 424 volts rms e 14/35 uma capacitância de 0.45 pF correspondem a 1 película piezoeléctrica electrodada que é submetida a um esforço a ± 1%. A resistência de perda paralela Rp de 10 ΜΩ é baseada num tan δ de * 2%. Na forma de realizar a invenção da figura 6, o indutor foi seleccionado para ter um valor de 11.6 He ter uma resistência de enrolamento de 65Ω. Foi presumido que o ReléctK)d0 era igual a 100 ohms, com que Rs foi igual a 165Ω. Como o abaixo discutido foi seleccionado um valor de Rl igual a 345 Ω, dado que o circuito da figura 6 um valor de Rl = 345 ohms é o óptimo para a transferência da energia máxima com os parâmetros mostrados. A titulo ilustrativo, presume-se que Ep provê uma entrada senoidal ao elemento piezoeléctrico com uma frequência de entrada f]N = 2Hz, e também presume-se que o interruptor inteligente fecha-se com os picos positivos e negativos do sinal de entrada Ep. O interruptor abre-se ou é aberto quando a corrente que passa através do indutor é igual a zero ou aproximadamente igual a zero. No caso em que a impedância da fonte é muito maior que a impedância da carga, um pulso de corrente quase senoidal, com uma duração de meio ciclo do período ressonante da rede de L-Cp, move-se através do indutor para a carga. O tempo de fecho do interruptor pode então ser aproximado como Tc = 7t(LCp)'5 que nesta forma de realizar a invenção será de 7.18 milésimos de segundo.

Dado um valor inicial VN através de Cp, a voltagem durante o intervalo de fecho é

Vc (t)= VNexp (-ω 0t/(2Qr ))eos (ω 0t) (l) 15/35 ®, = l/(LC|.;'Ql-ω,,Ι./R, I Rs-(l, Cp)7(R| I RJ=R,i/(Rl + Rs). Durante mesmo intervalo, a corrente através do indutor L carga RL é em que e este e da (2) iL(t)*vN/Rosen(w0t)

Em t = Tc, o interruptor S abre-se com Vc(Tc)= -Viexp(-7i/(2Q, )) = -aVi(a «1) e iL(Tc) = 0.

Com a definido como a ξ exp(V2Q,)) (3)

Depois que o interruptor esteja aberto, o interruptor mantém-se aberto até que o pico seguinte se dê (um pico negativo). Durante este período, Vc continuará a carregar (mais negativamente) devido à carga produzida pelo elemento piezoeléctrico sob a tensão aplicada. A forma de onda é aqui

Vc (t) = Vp cos(a>INt)-(aVN + Vp)exp(-t/x) (4) em que t = Rp Cp representa a constante de tempo de perda dieléctrica do elemento piezoeléctrico e Vp é o pico da voltagem do circuito aberto. No pico seguinte, S fecha-se para o mesmo período Tc e produz o mesmo comportamento excepto que (Vi)+ é agora um valor muito mais alto. Justamente antes deste seguinte fecho de interruptor a 1 = 1/(21^), t = 7i, Vc atinge um valor VN+1 que é 16/35 (5) VN+1=-(VP(l + b)+abVN) e b = exp (-1/(21^))= exp(-jc/Qc), Qc = 2π l‘IN τ = 1/tan δ.

Este processo repete-se cada meio ciclo (com uma mudança de sinal) até que o estado constante seja atingido quando a energia adicionada pelo dispositivo piezoeléctrico é deslocada pela energia transferida à carga RL mais as perdas nos eléctrodos, o indutor, e o PVDF dieléctrico. Usando a equação (5) esta recursivamente prediz o aumento na voltagem como função do número de meios ciclos de entrada. Pode ser mostrado que o aumento da constante tempo é de aproximadamente QL ciclos. A voltagem constante é o parâmetro de interesse já que ela determina a energia constante transferida à carga. Esta é obtida ajustando Vn+i = -Vn na equação (5) obtém-se (6) (Vc)* = VP(l + by(l-ab)

Este pico de voltagem produzirá um meio pulso de corrente de onda senoidal na carga que tem uma largura Tc e uma amplitude de pico

(7)

Finalmente, a média da saída de energia é obtida da equação (7) como

(8) A elevação da alta voltagem através dos elementos reactivos proporcionais a Q é típico de um circuito ressonante. 0 aspecto significativo desta aproximação pulsada é que a 17/35 frequência ressonante e a frequência de entrada são independentes, de forma a que são possíveis valores realistas da componente, apesar das frequências de entrada muito baixas. Nas figuras 7 e 8 é mostrada a voltagem constante e as formas de onda da corrente de carga produzidas por uma simulação de programa de circuito de software informatizado (SPICE) do circuito da figura 6. 3. Transferência de energia óptima Há um valor óptimo para RL que maximiza o débito de energia. Isto pode ser visto com a manipulação das equações de 6 a 8. Primeiro, reconhecer que os parâmetros a e b, como os definidos previamente, os dois são * 1 para QL e Qc (>5) grande. Assim, a equação (6) pode ser aproximada por (Vc)* «2 Vp/*((l/2 0,)+0/0, ))=-1 V,.Q,Q, / π(2 QL+QC (9) e a energia de saída pode ser re-escrita como (10) pDUT _ (ycss) Tc f|N R|_ / Ro * 16 Cp Vp2QL2Qc2 fIN Rl Ι(π R0(2 QL + Qc)2)

Relembrar que a entrada de energia mecânica é P,N =Cp Vp!fIN /(2k2) (k2 = factor de acoplamento electromecânico = d2i2Y/s) a eficiência da conversão de energia mecânica em energia eléctrica Ρουχ/Ρ^ é então 18/35 (12) 17= (32 k21π R0)*((Ql2Qc2/(2 Ql + Qc)2)*Rl)

Substituindo porQL = R0/(RL +RS), e maximizando em relação a Rl (Rl)oft = Rs + (2 Ro ! Qc) (13(a)) (QlW = R« / 2 (Rs + R0 /Qc) (13(b)) A incorporação da equação acima na equação (12) máximo da eficiência de conversão do valor Άμαχ = 8 k2R0 / (π (Rs + 2 Ro / Qc)) (14) A invenção do Titular inclui assim o reconhecimento de que há um valor óptimo de resistência, (RL)0PT, e que este valor de resistência é uma função de: (a) Rs = Rw + Relécta)do e (b) uma função de 2Ro/Qc em que Ro é igual a (L/Cp)'5 e Qc é igual Qc = 2 ji fffl τ e τ é igual a RpCp.

Os Titulares também reconheceram que desde que (Rl)0Pt possa variar como função de uma frequência do sinal de entrada, a frequência do sinal de entrada pode ser controlada e o valor de (Rl)0pt pode ser variado como função da frequência para manter (RL)0PT optimizado. Como o abaixo discutido, isto pode ser realizado aplicando (por meio de interruptores) mais ou menos carga ao sistema. Isto é, o valor médio da carga pode ser mudado controlando o período de ligar e desligar, durante o qual a carga é aplicada ao sistema. Isto está ilustrado na figura 2, na qual o sensor 19/35 de pico de onda 200 sensível à amplitude e à frequência das tensões e esforços mecânicos de entrada provê sinais ao detector de picos 34 que provê os sinais correspondentes ao microcontrolador 301 que pode então controlar o conversor DC/DC 30. Da mesma forma, a figura 9 mostra que um sensor 303 sensível à amplitude e à frequência das tensões e esforços mecânicos de entrada (por exemplo, forma de onda do oceano) provê sinais a um microcontrolador 301 que está programado para controlar um ou vários dos componentes do subsistema, que é: (a) interruptor Sl; (b) a indutância de Ll; e (c) vários componentes da carga (por exemplo a capacitância de carga e a carga resistente).

Notar que a figura 9 ilustra também que a saída pode ser controlada e os sinais podem ser subministrados a um sensor de carga de saída 305 cuja saída é seguidamente alimentada ao microcontrolador, que pode ser programado para tomar qualquer acção necessária para optimizar a resposta do sistema. O tipo de carga pode ser variado

Enquanto que a teoria de funcionamento acima citada se aplica ao caso de carga puramente resistiva, os Titulares descobriram que o circuito de extracção de energia ressonante comutado não necessita de ser restringido a uma carga puramente resistiva. De facto, nalguns casos uma carga resistiva - capacitiva paralela pode ser preferível, nos quais é uma saída mais desejável é uma voltagem DC, do 20/35 que um pulso. Isto pode ser realizado usando um circuito do tipo mostrado na figura 9. Na figura 9 um rectificador de onda completo 270 é usado para converter o sinal AC produzido no anel de série (PEG22, interruptor Sl, indutor Ll e a carga) a uma voltagem de saida DC que pode ser armazenada num condensador e/ou numa bateria e/ou para conduzir a carga ilustrada como RCARGA, que pode ser na prática, uma carga complexa.

Mudança do lugar do interruptor

Adicionalmente variando as caracteristicas da impedância de carga, é também possível reordenar a ordem dos elementos do circuito que estão conectados em série. Nas figuras 3A e 6, o interruptor Sl está colocado entre PEG (condensador Cp) e o indutorL. No entanto, o lugar do interruptor Sl pode ser movido para outro lugar ao longo do trajecto da série do circuito ressonante. Por exemplo, o interruptor Sl pode ser colocado entre o indutor e a carga como na figura 3B. Alternativamente, o interruptor Sl pode ser colocado entre o terminal de ligação à terra e a carga RL, como na figura 3C. Movendo o interruptor de entre o indutor L e o dispositivo piezoeléctrico PEG1 como o mostrado na figura 3A para outra posição no lado da carga do indutor como o mostrado na figura 3B ou no circuito do fundo da carga como é mostrado na figura 3C apresenta determinadas vantagens no ligar e desligar as voltagens necessárias para activar o interruptor. Isto é particularmente assim, quando o interruptor é formado usando uma combinação de transístores que podem conduzir de maneira bidireccional 9 por exemplo MOSFETs) como o ilustrado na figura 3D. 21/35 A rede de comutação da figura 3D inclui um interruptor inteligente Sl, conectado entre o terminal 39 e a ligação à terra 33. 0 interruptor inteligente inclui duas vias paralelas conectadas entre os terminais 39 e 33 para controlar a condução da corrente através da carga para uma voltagem de entrada positiva e para uma voltagem de entrada negativa. Uma via inclui um diodo DIA conectado em série com a via de condução de um canal N MOSFET, Nl, cuja fonte e os substrato estão conectados ao nodo 33. A outra via inclui um diodo D2A conectado em série com a via de condução de um canal P MOSFET, Pl, cuja fonte e substrato estão conectados ao nodo 33.

Nl pode ser ligado (quando Ep é altamente positivo) com a aplicação de um valor relativamente pequeno (por exemplo 3-10 volts) de uma voltagem positiva na porta de Nl. Nl pára a condução, quando a corrente através do indutor vai a zero. Alternadamente, Nl pode ser desligado fixando com abraçadeiras a porta Nl ao terminal 33 (ou com a aplicação de baixa voltagem negativa à porta Nl) . Notar que quando Ep vai à condução positiva através de Pl é bloqueado pelo diodo D2A.

Pl pode ser ligado (quando Ep é altamente negativo) com a aplicação de um valor relativamente baixo (por exemplo, 3-10 volts) de uma voltagem negativa à porta de Pl. Pl pára a condução, quando a corrente através do indutor vai a zero. Alternadamente, Pl pode ser desligado fixando com abraçadeiras a porta do Pl ao terminal 33 (ou com aplicação de uma baixa voltagem positiva à porta de Pl) . Notar que quando Ep vai à condução positiva através de Nl é bloqueado pelo diodo DIA. 22/35 0 lugar do interruptor inteligente entre a terra e a carga 27 como é mostrado na figura 3D ilustra a importância de colocar o interruptor em determinados pontos ao longo do anel para permitir que os transístores sejam ligados e deslicados com a porta baixa a voltagens de fonte (VGS). Ainda deverá ser salientado que os díodos DIA e D2A asseguram que somente uma das duas vias de condução "paralelas está a conduzir em qualquer momento. Na ausência dos díodos DlA e D2A, os transístores (NI e/ou Pl) serão guiados na condução (isto é, Nl, quando Ep vai negativo, e Pl quando Ep vai positivo) durante a fase incorrecta dos ciclos de condução. Notar que na figura 3D, o interruptor SI pode ser controlado por um controlador 301 que é sensível aos sinais que formam um sensor 303 que detecta a frequência e/ou os picos e/ou a amplitude da força que ocorre na natureza aplicada ao transdutor (PEG 22). A figura 3D ilustra que o sensor 303 pode subministrar sinais ao controlador 301 que pode ser usado então para controlar o ligar e o desligar do interruptor Sl subministrando sinais de ligar e desligar aos eléctrodos da porta dos transístores Nl e Pl. Assim, o controlador 301 determina quando o interruptor tem de ser ligado (por exemplo, sinal positivo à porta de Nl para Ep positivo e sinal negativo à porta de Pl para o Ep negativo) e quando o interruptor tem de ser desligado aplicando um sinal de desligado às portas Nl e/ou Pl.

Propriedades do interruptor

Por diversas razões pode ser difícil encontrar um interruptor que possa funcionar num circuito ressonante comutado. Primeiro, este deve ter uma impedância muito alta no estado desligado, e uma impedância muito baixa no estado ligado. Segundo, pode ser requerido bloquear 23/35 consideravelmente as elevadas voltagens positivas e negativas. Terceiro, pode ser requerido manipular correntes elevadas pulsadas consideráveis. Quarto, deve haver um tempo de ligar e desligar que seja substancialmente mais curto do que o tempo esperado de fecho do interruptor. Quinto, pode ser requerido manipular a corrente em ambas as direcções. Sexto, deve ser capaz de ser fechado precisamente pelo controlador. Quando o termo "interruptor" é usado, este refere-se a um dispositivo que executa a função de um interruptor, e o próprio dispositivo pode estar composto por componentes diferentes.

Os Titulares examinaram diferentes desenhos de circuito que aplicam os requisitos de um interruptor. Qualquer tipo de interruptor pode trabalhar com graus variáveis de êxito. Num desenho mecânico, o interruptor num circuito ressonante comutado pode ser uma válvula hidráulica. Alternativamente, o interruptor pode ser um contacto de relé guiado por uma bobina de relé com sinais de um detector de controlo ou de picos, ou qualquer outro circuito de controlo adequado. No entanto, pode haver um problema usando relés em operação com alta velocidade. Para desenhos de circuito eléctrico para ser usado com as fontes piezoeléctricas previamente descritas, um dispositivo eléctrico de estado sólido apresenta determinadas vantagens. Sob a maioria das condições, para obter uma alta impedância com curtos períodos de tempo de conexão e desconexão, os transístores MOSFET trabalham bem (como o já mostrado na figura 3D).

Outra forma de realizar um circuito que usa um interruptor inteligente incluindo MOSFETs e díodos é mostrado na figura 10. Notar que no circuito da figura 3D, o interruptor SI foi ligado por um controlador e desligado de novo pelo mesmo controlador no tempo Tc depois de SI ter sido ligado 24/35 e a corrente através do anel ser zero, ou perto de zero. No entanto, é possível dispor um circuito de forma a que o controlador ligue o interruptor Sl, mas que o próprio SI desliga-se quando a corrente passa através dele e o indutor LI atinge zero. Isto pode ser realizado colocando os díodos em série com os transístores de comutação, como o mostrado na figura 10.

Na figura 10, PEG 22 é conectado a um lado do indutor LI e o outro lado do indutor é conectado à carga 27 via um interruptor inteligente. O interruptor inteligente da figura 10, da mesma forma que o interruptor inteligente da figura 3D, inclui uma primeira via para conduzir a corrente através da carga, quando Ep é positivo e a outra via para conduzir a corrente através da carga quando Ep é negativo. Uma via inclui um canal N MOSFET TlA que tem a sua via de condução conectada entre o terminal 37 e um nodo 38 e um díodo DIB que tem o seu ânodo conectado ao nodo 38 e o seu cátodo conectado ao terminal 39. A outra via inclui um canal P MOSFET TlB que tem a sua via de condução conectada entre o terminal 39 e o nodo 38 e um diodo DIA que tem seu ânodo conectado ao nodo 38 e o seu cátodo conectado ao terminal 37. Na figura 10 um inversor lógico CMOS composto de MOSFETs TlB e T2B é utilizado para polarizar as portas dos MOSFETs TlA e TlB. Quando a voltagem através de Cp é alta e positiva, a corrente é bloqueada pelo diodo DIA e TlA, cuja porta está no estado desligado polarizada a VX2 volts; em que VX2 pode variar entre -5 e -100 volts, ou mais, como o abaixo descrito. Apesar de que TlB está num estado "ligado", ele não conduz a electricidade, porque não há nenhuma via livre para as cargas para mover para trás a porta TlA. Quando Ep através Cp atinge um pico de voltagem positiva, um sinal do detector de picos alternados entre T2A e T2B, que por seu lado causa a voltagem da porta de 25/35

TlA e T2B para ir de VX2 volts a +VX1 volts; em que VXl volts podem variar entre 5 volts e 100 volts, ou mais. Com TlA, ligado as cargas movem-se desde Cp através de TlA através do diodo DIB através de Rcarga, à terra, provocando um pulso de tensão e um pulso de corrente visto pelos componentes do interruptor inteligente. No entanto, logo que o pulso de voltagem tenha atingido zero, a carga não pode se pode mover para trás através de TlA, porque o diodo DlB impede que a corrente passe através desta via. Seguidamente a condução cessa.

Quando Ep através de Cp atinge o seu pico mais negativo, T2A e T2B alternam de novo, fazendo que VX2 volts sejam colocados nas portas de TlA e TlB. Isto fecha TlA e abre TlB. Assim, as cargas negativas movem-se através de DIA e passam através de TlB e Rcarga até que a corrente negativa e a tensão negativa através de TlB seja igual zero. Depois de que a corrente "negativa" chegue a zero, a corrente não pode mover-se na direcção oposta através de DIA, e assim o interruptor inteligente Sl é eficazmente aberto. Assim a cada momento dá-se uma comutação, invertendo os estados de condução de TlA e TlB, estes somente conduzem corrente numa direcção por um período de tempo até que o circuito ressonante intenta arrastar a corrente na direcção inversa. Quando ela o faz, os díodos bloqueiam a inversão da corrente, abrindo eficazmente o interruptor. Usando este método é possível abrir e fechar o interruptor inteligente de forma controlada e fiável.

Deverá ser notado enquanto que o interruptor Sl é fechado com cada pico, e que mantém-se fechado até que a corrente através de Sl vá, ou seja perto de zero e o interruptor então abre-se, ou é aberto, qualquer tipo de carga pode ser usada até que esteja formado um circuito ressonante cuja 26/35 frequência ressonante é consideravelmente maior do que a frequência da fonte motriz.

Deverá ser apreciado que no circuito da figura 10, os transístores TlA e TlB são posto a funcionar no modo seguidor de fonte. Portanto a voltagem desenvolvida através da carga pode ser limitada pela voltagem da porta aplicada a TlA e TlB. Consequentemente, nos sistemas que realizam a invenção pode uma rede de rectificação 110 do tipo mostrado na figura 11 ser usada para gerar uma voltagem positiva relativamente alta (por exemplo, VXl) e uma voltagem negativa relativamente alta (por exemplo, VX2). A rede 110 pode ser conectada em qualquer ponto ao longo do anel, no qual são geradas algumas das voltagens transientes positivas e negativas altas. Assim, para um estado positivo vá a transiente, uma corrente flui através da resistência R110 e do diodo D110 para carregar o condensador C110 para produzir VXl. De forma similar, para um estado negativo transiente, uma corrente flui através da resistência Rlll e do diodo Dlll para carregar o condensador Clll para produzir VX2. Um aspecto importante de gerar as voltagens aplicadas a TlA e TlB desta maneira é que esta possibilita a conxeão positiva e a subsequente desconexão dos transístores de comutação.

Esquemas de detecção de picos

Referindo a figura 12A nela é mostrado um segmento de um material piezoeléctrico 121 com os eléctrodos 122 e 123. O material piezoeléctrico 121 está submetido a forças que se dão naturalmente que causa que o material seja tensado, resultando na geração de uma voltagem oscilatória através dos eléctrodos 122 e 123. O material piezoeléctrico 121 com os eléctrodos 122 e 123 pode ser representado como um 27/35 condensador com sinais AC que são gerados pelo dispositivo piezoeléctrico como o ilustrado na figura 12B. Para facilitar a discussão foi presumido que a voltagem descarregada ou a voltagem do circuito aberto (Voc) produzida através dos eléctrodos 122 e 123, como o mostrado na figura 12C, pode ser senoidal em oscilação natural entre um valor de pico positivo +Vop e um valor de pico negativo (-)Vop, como o mostrado na figura 12D. Como o acima discutido, e como está ilustrado na figura 12E para optimizar a transferência de energia de PEG 22, é desejável que um interruptor SI esteja fechado em cada pico (+Vop e Vop) da saída PEG. No entanto, quando o interruptor SI esteja fechado formando um circuito ressonante altamente desejável, a voltagem no nodo X está submetida a agudos transientes positivos e negativos como o ilustrado na figura 12F. Os agudos transientes e os grandes níveis de voltagem comparados com a amplitude de entrada máxima (Vop) torna difícil desenhar um detector sensível sem ruídos. A deslocação de ruído e de fase são as causas dos problemas básicos (discutidos abaixo) tornando difícil a detecção dos picos. 0 problema da detecção da incidência dos picos torna-se mais difícil pela geração de "falsos" picos e baixos como o ilustrado na figura 12F1. Consequentemente, constatando os valores de pico e quando o fecho do interruptor SI é um problema considerável.

Outra dificuldade importante com um circuito ressonante comutado é a detecção dos picos e das depressões com precisão para fechar (e abrir) o interruptor no momento apropriado. Primeiro, quando são usados dispositivos capacitivos, tais como PEG 22, muitas vezes há um intervalo entre a fonte motriz mecânica (por exemplo, a força que 28/35 ocorre na natureza aplicada a PEG 22) e a sua saída eléctrica, como no caso de materiais piezoeléctricos. Consequentemente, quando são comutados os dispositivos capacitivos num circuito ressonante, esta deslocação de fase pode causar um "ricochete" da voltagem que se dá ligeiramente depois de que um interruptor esteja completado, provocando um falso pico ou fundo.

Também a elevação da voltagem no condensador demanda que um sentido de voltagem para a detecção de picos sobre uma margem muito mais ampla para assim reduzir a sensibilidade do detector. 0 problema da detecção dos picos com mais precisão pode ser resolvido da seguinte maneira. Uma fonte capacitiva simulada, como outro dispositivo piezoeléctrico (PEG2), é usada adicionalmente à fonte de energia, dispositivo piezoeléctrico (PEG1) que é comutado à carga. Enquanto que a saída de PEG1 está distorcida como o mostrado para Vx nas figuras 12F, 12F1 e 5, a saída de PEG2 manter-se-á como o mostrado para Voc nas figuras 12D e 12F e Ep na figura 5. A saída de PEG2 pode ser alimentada a um circuito de alta impedância, enquanto que um sinal (por exemplo, uma onda senoidal ou sinal oscilatório) que é verdadeiro ao original pode ser percebido e usado para controlar a comutação da carga indutiva via SI através de PEG1. Assim, como o mostrado na figura 12G, PEG1 pode ser denominado um acumulador de energia e PEG2 pode ser denominado um sensor e a saída de PEG2 é aplicada a um detector de picos 130 que é usado para controlar o fecho do interruptor SI em cada pico positivo e negativo do sinal de entrada. Assim, enquanto que a saída do dispositivo acumulador de energia PEG1 pode ser um altamente complexa, voltagem transiente de grande amplidute a saída do dispositivo de sensor PEG2 será 29/35 conforme o sinal de excitação. Assim, se o sinal de excitação em PEGl e PEG2 é uma onda senoidal relativamente homogénea, PEG2 responderá e produzirá uma causa sinusoidal e causará que PEGl seja comutado e funcione no modo colector de energia ressonante comutada de acordo com o anteriormente discutido. Ao mesmo tempo, PEG2 será usado pelo detector de picos para detectar com precisão e de maneira fiável os picos e as depressões da onda senoidal amortizada e para controlar a comutação de PEGl. PEG2 pode ser do mesmo material que PEGl, de forma a que tenha caracteristicas idênticas. PEG2 pode ser montado no PEGl, como o mostrado na figura 12H, para detectar as tensões ou tensões idênticas aplicadas a PEGl. Tipicamente, PEG2 poderá ser feito mais pequeno que PEGl e pode ser conectado ou preso (por exemplo, colado) a PEGl de variadíssimas maneiras. A saída de PEG2 reflectirá a saída de PEGl, sendo a saída de PEG2 geralmente mais pequena em amplitude. Quando PEGl é muito grande, PEG2 pode ser composto de vários dispositivos piezoeléctricos diferentes para detectar partes diferentes do correspondente PEGl.

Como o também mostrado na figura 12H, a saída de PEG2 pode ser alimentada a um circuito detector de picos 130a cuja saída é alimentada a um microcontrolador 301 até que ele possa processar o sinal recebido do detector de picos e proveja o ligar e desligar dos sinais ao interruptor Sl. Referindo a figura 2 é de notar que o sensor de picos de onda 200 pode ser um sensor tipo PEG2 ou qualquer outro sensor adequado. De forma similar na figura 2 o detector de picos que dispara pulsos nos picos 34 pode ser um detector de picos como o 130a e um microcontrolador 301 como o mostrado na figura 12H. 30/35

Usando um PEG "detector", é muito mais fácil detectar o pico e gerar sinais para controlar o ligar e o desligar do interruptor SI no tempo apropriado. Assim, um esquema de detecção de picos de acordo com um aspecto da invenção pode incluir dois elementos capacitivos; um para acumular energia e para ser comutado a um circuito colector de energia ressonante, e o outro para controlar a voltagem do circuito aberto para permitir uma forma mais fácil de detecção de picos.

Para facilitar a ilustração, foi presumido que PEG1 está a ser tensado de maneira senoidal. No entanto, deverá ser entendido que esta não é uma condição necessária desde que os picos positivos e negativos periódicos de um sinal de entrada seja detectado e controle um fecho do interruptor acoplando uma rede indutiva através de um dispositivo piezoeléctrico no momento certo para a duração apropriada de tempo.

Dependendo da natureza do sistema mecânico, a ser utilizado no modo de ressonância comutado, podem ser utilizados diferentes tipos de sensores. Por exemplo, se um dispositivo de energia das ondas, está a ser usado, uma pequena bóia de detecção de ondas 410 pode detectar a caracteristica da chegada da onda e gerar sinais que são então usados para controlar a conexão e desconexão do interruptor Sl, como o mostrado na figura 13. No sistema da figura 13 o sensor poderá antecipar a onda que afectará o transdutor um momento mais tarde. A figura 13 ilustra que o transdutor pode ser uma bóia 414. O sensor 410 pode ser uma bóia ondógrafa colocada fisicamente mesmo diante do transdutor. Ai colocado, o sensor está numa posição para alertar o sistema da captura e conversão de energia, de forma a que as mudanças apropriadas no sistema possam ser 31/35 introduzidos e nele se possa escutar antes de que a onda colida (ou choque) com o transdutor que pode ser qualquer dispositivo (isto é um dispositivo piezoeléctrico ou uma bóia) capaz de produzir um sinal eléctrico em resposta a uma força de entrada mecânica.

Ainda outro esquema pode incluir sensores electromagnéticos 412 como os mostrados na figura 13 para detectar a altura de onda usando ondas de rádio. Muitos tipos diferentes de sensores podem ser utilizados desde que eles possam detectar de maneira fiável os sinais de pico e ser usados para ligar o interruptor SI pelo periodo de tempo requerido Tc . No entanto, o uso de um sensor separado que funciona em paralelo com o dispositivo de energia principal simplifica de forma significativa o custo, o tamanho, e a quantidade de acessórios necessários.

Logo que um sinal é detectado por um sensor, podem ser utilizados vários circuitos para detectar os picos e as depressões do circuito. Os detectores de picos foram amplamente estudados na electrónica, e muitos tipos diferentes foram usados em milhares de diferentes aplicações. No caso de um dispositivo piezoeléctrico que seja accionado por uma fonte mecânica, tal como as ondas do oceano ou correntes do rio, a fonte pode ter uma frequência e uma amplitude que varia ligeiramente devido às mudanças meio ambientais e à turbulência aleatória. Sob estas condições é preciso desenvolver um esquema de detecção de picos que seja suficientemente flexível para se adaptar às condições de mudança como as mostradas na figura 14.

Digitalizar o sinal do sensor, ajustá-lo a uma curva através do software, e seguidamente predizer quando o pico se dará é um método de o fazer como o mostrado na figura 32/35 15. No entanto, estes cálculos podem requerer uma quantidade considerável de sofisticação computacional, tempo, e energia.

Outro método de realizar a detecção de picos é mostrado na figura 16. Se a força de entrada é aproximadamente senoidal, então um sinal de sensor senoidal (a) pode ser integrado ou diferenciado para obter uma onda co-seno que pode ser aplicada a um simples circuito op-amp.

Então as passagens a zero do sinal integrado/diferenciado podem ser detectadas. Se a integração/diferenciação é perfeita, e o sinal é uma sinusoide verdadeira, então as passagens a zero dar-se-ão exactamente a um pico do sinal de sensor. Outra electrónica (não mostrada) pode ser usada para detectar uma passagem a zero e gerar um pulso que pode ser usado para desencadear um fecho do interruptor.

Deverá ser entendido que a abordagem da ressonância comutada da invenção é aplicável a qualquer sistema, no qual a força motriz varie lentamente. Também deverá ser apreciado que a tensão e o esforço aplicado ao dispositivo piezoeléctrico, ou a qualquer dispositivo que produz uma voltagem eléctrica quando é tensado, pode ser provido pelas ondas do oceano ou podem ser colocados num rio ou numa corrente com meios no rio ou na corrente provocando ondulações alternadas para fluir a jusante em espiral e fazer com os dispositivos piezoeléctricos se dobrem à volta delas. Os dispositivos piezoeléctricos parecem-se a uma bandeira ondular ou a uma enguia nadando na água. Assim, as ondas na superfície do oceano e qualquer onda subterrânea (ou o vento) podem ser usadas. Estas podem ser referidas como ondas mecânicas (forçadas) ou forças que ocorrem na 33/35 natureza como as ondas da superfície do oceano, águas subterrâneas oscilatórias e redemoinhos à superfície da água.

Lisboa, 03 de Fevereiro de 2010 34/35

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo titular tem como único objectivo ajudar o leitor e não forma parte do documento de patente europeia. Ainda que na sua elaboração foi tido o máximo cuidado, não se podem excluir erros ou omissões e a este respeito a EPO declina qualquer responsabilidade.

Documentos de Pedidos de Patente citados na descrição • WO 5552656 A [0002] · WO 03016711 A [0002] • US 5703474 A [0002] 35/35

Claims (33)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Uma combinação que compreende: um transdutor (22, PEG1, 414) sensível a uma força que ocorre na natureza, tendo pelo menos um primeiro e segundo terminal para produzir entre eles sinais eléctricos em resposta à força que ocorre na natureza; um indutor (26, Ll, L) que tem uma primeira e uma segunda extremidade; um interruptor activado selectivamente (S1) ; uma carga (27, Rcarga) destinada a ser impulsionada pelos sinais eléctricos produzidos pelo transdutor; meios para conectar o dito interruptor activado selectivamente em série com dito indutor e a dita carga entre o dito primeiro e segundo terminal do dito transdutor; e meios (303, 301, Nl, Pl) para ligar o dito interruptor activado selectivamente em resposta e durante, certa condições de picos dos sinais eléctricos produzidos pelo transdutor durante um período predeterminado: a combinação estar caracterizada por: o dito indutor ter uma indutância predeterminada de valor L, e em que o dito transdutor poder caracterizar-se por uma capacitância do valor Cp em série com uma fonte de voltagem entre os ditos primeiro e segundo terminais; em que, quando o interruptor está fechado, o transdutor e o indutor definem um circuito ressonante, cuja frequência 1/10 ressonante fo é aproximadamente igual a ΐ/2π(ΙΧρ)0'5 e em que o interruptor é fechado durante um período que é aproximadamente igual a Tc = 7t(LCp)0'5. e em que uma força que ocorre na natureza tem uma frequência nominal na margem de fl e na qual o valor de L é seleccionado de forma a que a frequência ressonante fo do circuito ressonante seja essencialmente maior do que fl.
2. 2. A combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a carga ter pelo menos um primeiro e um segundo terminal de energia e em que o interruptor selectivamente activado estar conectado entre o primeiro terminal do transdutor e a primeira extremidade do indutor e no qual a segunda extremidade do indutor está conectado ao primeiro terminal de energia da carga e em que o segundo terminal de energia de carga está conectado ao segundo terminal do transdutor.
3. 3. A combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a carga ter pelo menos um primeiro e um segundo terminal de energia e em que o primeiro terminal do transdutor está conectado à primeira extremidade do indutor e em que o interruptor selectivamente activado está conectado entre a segunda extremidade do indutor e o primeiro terminal de energia da carga e em que o segundo terminal de energia de carga está conectado ao segundo terminal do transdutor.
4. 4. A combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a carga ter pelo menos um primeiro e um segundo terminal de energia e em que o primeiro terminal do transdutor está conectado à primeira extremidade do indutor e em que a segunda extremidade do indutor está conectada ao 2/10 primeiro terminal de energia da carga e em que o interruptor selectivamente activado está conectado entre o segundo terminal de energia da carga e o segundo terminal do transdutor.
5. 5. A combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o transdutor ser um dispositivo piezoeléctrico, em que o transdutor está concebido para ser colocado num corpo de água e em que a força que ocorre na natureza ser constituída pelas ondas do corpo de água, tendo as ditas ondas uma frequência na margem de f1.
6. 6. A combinação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por o interruptor selectivamente activado ser fechado de cada vez que uma onda atinge um pico e de cada vez que uma onda atinge uma depressão.
7. 7. A combinação de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por o interruptor selectivamente activado manter-se fechado durante um período de tempo que é aproximadamente igual a Tc, depois do qual o interruptor é aberto e mantém-se aberto até ao próximo pico ou depressão.
8. 8. A combinação de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por esta também incluir um sensor (200, 303, PEG2) para detectar os picos e as depressões das ondas para fechar o interruptor selectivamente activado em resposta aos picos e às depressões.
9. 9. A combinação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o sensor incluir um dispositivo (200) flutuante nas ondas e colcoado diante do transdutor para antecipar o efeito das ondas antes de que estas atinjam o transdutor. 3/10
10. 10. A combinação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o sensor (PEG2) ser feito de um material parecido ao do transdutor e estar colocado perto do transdutor para ser submetido a forças motrizes parecidas às que o transdutor está submetido.
11. 11. A combinação de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o transdutor ser um dispositivo piezoeléctrico, e em que o sensor é também um dispositivo piezoeléctrico para detectar os efeitos das ondas no transdutor na ausência de comutação.
12. 12. Uma combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a dita força que ocorre na natureza flutuar entre um valor alto e um valor baixo; e em que os ditos meios para liqar o dito interruptor selectivamente activado incluírem meios, independentes do transdutor, para detectar o valor do pico alto e da depressão baixa, da força que ocorre da natureza e para então activar os meios de comutação selectivamente activados durante um período dado de tempo.
13. 13. Uma combinação de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por os meios para detectar os valores máximo e mínimo da força que ocorre na natureza incluírem um segundo transdutor para detectar o estado da força de entrad e gerar um sinal não carregado e não comutado para permitir a detecção dos valores máximo e mínimo sem distorção de comutação.
14. 14. Uma combinação de acordo com a reivindicação 13, em que os transdutores são colocados num corpo de água e em que a força que ocorre na natureza incluem as ondas no corpo de 4/10 água que têm uma frequência na margem de f1, e em que o primeiro transdutor pode ser caracterizado como uma fonte de voltagem em série com uma capacitância e em que a rede indutiva é seleccionada para ter um valor que, quando o interruptor selectivamente activado está fechado, ressona com a capacitância do primeiro transdutor a uma frequência fo que é essencialmente superior af1.
15. 15. Uma combinação de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por o transdutor ser um primeiro transdutor e em que a saída do primeiro transdutor está submetido a sinais transientes grandes, quando a carga é conectada de forma a que possa comutar ao primeiro transdutor; e em que os meios para detectar as picos e as depressões incluem um segundo transdutor que tem as características idênticas às do primeiro transdutor, e um esquema de circuito eléctrico de detecção conectado fixamente ao segundo transdutor para detectar continuamente o seu sinal de saída sem que seja afectado pelos transientes de comutação.
16. 16. Uma combinação de acordo com a reivindicação 15, caracterizada por o primeiro e o segundo transdutor serem dispositivos piezoeléctricos; com o primeiro transdutor para acumular uma quantidade de energia substancial e o segundo transdutor para detectar o sinal que será gerado na ausência do interruptor selectivamente activado.
17. 17. Uma combinação de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por a saída do segundo transdutor ser utilizado para gerar sinais utilizados para controlar a ligação do interruptor selectivamente activado. 5/10
18. 18. Uma combinação de acordo com a reivindicação 17, caracterizada por o segundo transdutor ser montado na proximidade do primeiro transdutor para assegurar que o segundo transdutor está submetido à mesma força que ocorre na natureza como o primeiro transdutor, em que os dois transdutores estão colocados num corpo de água.
19. 19. Uma combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por, conectando a carga de forma comutável, quando a força que ocorre na natureza passa por um pico ou uma depressão, provocar a geração de sinais transientes grandes na saida do transdutor ocultando o tempo, em que a força que ocorre na natureza passa por um pico ou uma depressão, incluindo adicionalmente um sensor para detectar as forças que impulsionam o transdutor, independentemente do transdutor, e para gerar sinais para controlar o interruptor selectivamente activado e a comutação da carga ao transdutor, sendo o dito controlo independente e não afectados pelos sinais transientes grandes.
20. 20. Uma combinação de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por a força que ocorre na natureza é devida às ondas do oceano e em que o sensor é um sensor electromagnético usado para detectar as ondas que impulsionam o transdutor e a partir das quais o transdutor acumula energia.
21. 21. Uma combinação de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por a força que ocorre na natureza ser devida às ondas do oceano e em que o transdutor e o sensor serem dispositivos piezoeléctricos, com o sensor que é usado para detectar a força de ondas que impulsionam o transdutor. 6/10
22. 22. Uma combinação de acordo com a reivindicação 19, caracterizada por a força que ocorre na natureza ser devida às ondas do oceano e c ) sensor ser parte de uma bóia ondógrafo nas ondas e está colocado de maneira para antecipar a onda que impulsiona o transdutor.
23. 23. Uma combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o transdutor ser um primeiro transdutor para gerar energia eléctrica em resposta à força, em que a comutação causa sinais transientes grandes na saida do primeiro transdutor; e incluindo também: meios para detectar as condições de pico positivos e negativos da força que ocorre na natureza que incluem: um circuito detector de picos acoplado na saida do primeiro transdutor para gerar um sinal de activação cada vez que a saída do transdutor atinge um pico positivo ou um pico negativo; e o dito sinal de activação para conectar a carga de maneira comutável ao transdutor para transferir a energia acumulada pelo transdutor à carga.
24. 24. Uma combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a comutação causar sinais transientes a serem gerados na saída do transdutor que ocultando o período no qual a força que ocorre na natureza passa através de um pico ou de uma depressão, compreendendo a melhoria: meios de processamento da saída do transdutor para gerar um sinal de natureza senoidal e para seguidamente diferenciar ou integrar o sinal para gerar uma função co-senoidal e seguidamente usar o cruzamento da função co-senoidal para determinar condições de pico da onda de entrada. 7/10
25. 25. Uma combinação de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o dito interruptor selectivamente activado ser ligado durante um período em resposta aos picos nas direcções positivas e negativas dos sinais eléctricas geradas pelo transdutor para transferir periodicamente a energia do transdutor à carga; e em que a impedância da carga é seleccionada para ter um valor que aumenta de maneira óptima a transferência de energia.
26. 26. Uma combinação de acordo com a reivindicação 25, em que, quando o interruptor selectivamente activado é fechado, forma-se um anel em série que inclui pelo menos o transdutor, o elemento indutivo, o interruptor e a carga; e na qual o anel, excluindo a carga, pode ser caracterizado por ter uma resistência equivalente (Rs); e em que o valor da impedância de carga é uma função da resistência em série Rs, da indutância do indutor, da capacitância do transdutor, da frequência da força de entrada e duma constante de tempo de perda associada ao transdutor.
27. 27. Uma combinação de acordo com a reivindicação 25, em que o dito indutor ter uma indutância predeterminada de valor L, e em que o dito transdutor tem uma capacitância de valor Cp; em que, quando o interruptor está fechado, o transdutor e o indutor definem um circuito ressonante cuja frequência ressonante fo é igual a 1/ 27r(í_Cp 5 e onde o interruptor está fechado durante um período de tempo que é igual a Tc = ^^.Cp^'5; e em que, quando o interruptor está fechado, forma-se um anel em série que inclui pelo menos o transdutor, o elemento indutivo, o interruptor e a carga; e em que o anel, excluindo a carga, pode estar caracterizado por ter uma resistência equivalente (Rs); e em que o valor óptimo (RLopt) da impendância de carga ser uma função da 8/10 resistência em série Rs, da indutância do indutor, da capacitância do transdutor, da frequência da força de entrada e uma constante de tempo de perda associada ao transdutor.
28. 28. Uma combinação de acordo com a reivindicação 27, caracterizada por: RLopt = Rs + 2Ro/QC, em que Rs é a resistência equivalente na via em série; Ro é

    aproximadamente igual a e Qc é aproximadamente iqual a (2*)(f1)(r), em que f1 é a frequência de entrada da força da natureza; e τ é um termo de perda dieléctrica associada ao transdutor.
29. 29. A combinação de acordo com a reivindicação 28, caracterizada por também incluir meios acoplados à carga para manter o seu valor igual a RLopt como função de variações na frequência da força que ocorre na natureza aplicada ao transdutor.
30. 30. A combinação de acordo com a reivindicação 28, caracterizada por a carga incluir uma rede em ponte rectificadora de onda completa conectada em série no fundo do anel e as rede resistivas conectadas a uma saida da rede em ponte.
31. 31. A combinação de acordo com a reivindicação 30, caracterizada por a carga incluir pelo menos uma bateria, um condensador de armanezamento e uma resistência.
32. 32. A combinação de acordo com a reivindicação 25, caracterizada por o valor da impedância de carga variar em função da frequência da força que ocorre na natureza aplicada ao transdutor. 9/10
33. 33. A combinação de acordo com a caracterizada por o transdutor ser piezoeléctrico. Lisboa, 03 de Fevereiro de 2010 reivindicação 25, um dispositivo 10/10