Modelagem e projeto de conversores AC/DC de ultrabaixa tensão de operação

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaEsta tese apresenta o desenvolvimento de um modelo analítico e muito simples do circuito retificador, considerando a lei corrente-tensão (exponencial) do diodo, tendo como mérito simplificar um problema relativamente complexo e não linear (retificador) com uma ótima precisão. O modelo mostra-se válido, mesmo para tensões abaixo da tensão térmica, tendo sido testado para um ampla variação de tensão e corrente. São apresentadas equações para a tensão DC de saída, ripple de tensão, transiente durante o startup e eficiência de conversão de potência. Para validação, o modelo é comparado à simulações realizadas em simulador SPICE e a resultados experimentais, mostrando uma ótima precisão. Comparando-se este modelo com outros citados nas referências bibliográficas, este possui a vantagem de ser analítico, mais simples e/ou mais preciso. O desenvolvimento deste modelo torna-se mais importante, à medida que cresce o interesse pela utilização de sensores remotos autoalimentados, e também pelo uso de dispositivos de identificação por rádiofrequência (RFID). O espaço de projeto do conversor AC/DC foi explorado por meio de equações simples e de uma metodologia de projeto desenvolvida para que, através de gráficos, o projetista possa de forma fácil, rápida e com boa precisão, determinar os principais elementos do conversor AC/DC e da rede de adaptação de impedâncias. Para alcançar potências menores na entrada do conversor AC/DC, a metodologia utiliza redes de adaptação de impedâncias para o casamento entre as impedâncias da antena (ou impedância da fonte geradora de sinal AC) e do conversor AC/DC. Além disso, esta metodologia pode ser utilizada para conversores AC/DC com diodos ou transistores conectados como diodos, mesmo que sua equação característica não seja a do diodo exponencial. Para a utilização do conversor AC/DC em circuitos integrados, são estudadas as possibilidades de uso do transistor MOS conectado como diodo operando na região de inversão fraca. Para obter suporte experimental, foram projetados multiplicadores de tensão, com rede de adaptação de impedâncias incorporada ao circuito integrado e também externa ao mesmo, com o objetivo de atingir a menor potência de entrada disponível.This thesis presents a simple analytical model of the rectifier circuit assuming that the diode is characterized by the exponential current-voltage law. The model shown is valid even for voltages below the thermal voltage and it has been tested for a wide range of voltages and currents. Equations are provided for the DC output voltage, ripple voltage, transient during startup and power conversion efficiency. For validation, the model is compared to simulations carried out in SPICE and experimental results, showing a good accuracy. Comparing this model with others cited in the references, this one has the advantage of being analytical, simpler, and more accurate. The development of this model becomes more relevant with the growing use of self powered remote sensors, and radio frequency identification devices (RFID). The design space of the AC/DC converter was explored using a graphic methodology. To operate with reduced power at the input, the methodology uses an impedance adaptation network for the matching between the impedances of the antenna (or the source impedance of the AC signal) and that of the AC/DC converter. Furthermore, this methodology can be used for AC/DC converters with diodes or transistors connected as diodes, even if their characteristic equations are not exponential. To obtain experimental support, voltage multipliers have been designed with impedance adaptation network incorporated into the integrated circuit and also external to it, in order to achieve the lowest possible power at the input

ESTUDO DAS CONDIÇÕES DE ESCOAMENTO DE SISTEMAS DE POSICIONAMENTO ELETRO-HIDRÁULICOS EMPREGANDO O MÉTODO DAS LINHAS DE TRANSMISSÃO

Resumo: Diversas técnicas têm sido usadas na modelagem de escoamento laminar em tubulações. Em sistemas hidráulicos, a dinâmica do escoamento pode ser considerada suficientemente rápida. Aliado a isto, os comprimentos dos segmentos das tubulações não são muito longos, e por estas razões, a dinâmica do escoamento em tubos normalmente é desprezada. O estudo dinâmico de sistemas hidráulicos normalmente é direcionado à interação dos componentes, fenômenos presentes inerentes às não linearidades e perturbações externas que, de modo geral, podem ser representados por modelos a parâmetros concentrados. O modelo de tubos pode ser representado simplesmente por um coeficiente de perda de carga. Uma representação mais completa inclui a compressibilidade e a inércia associado ao fluido. Para o caso de modelagem empregando-se o modelo a parâmetros concentrados, pode ainda ser prático dividir a tubulação das linhas de escoamento em partes ou segmentos de tubo. Para alguns sistemas que operam com longas linhas de transmissão, como é o caso de sistemas hidráulicos de aeronaves, ou ainda aqueles cujo efeito dinâmico do fluido nas linhas possa interferir no seu funcionamento, é importante usar modelos mais precisos que descrevam com maior fidelidade o comportamento real das variáveis de saída. Para tal, podem ser usados modelos a parâmetros distribuídos, próprios para análise no domínio da frequência. A modelagem e simulação mais acurada visa predizer qual será o comportamento do fluido sob determinadas condições de trabalho, a fim de se encontrar meios de corrigir ou amenizar possíveis efeitos negativos de projeto. Os principais efeitos oriundos da dinâmica do escoamento geralmente são caracterizados por pulsações contínuas ou transientes de pressão e/ou valores de vazão que possam causar instabilidades no funcionamento do circuito. Golpes hidráulicos podem ser gerados em resposta a rápidas comutações da válvula de comando. Dependendo da magnitude dos picos de pressão, poder haver redução da vida útil dos componentes, irregularidades no movimento da máquina e fadiga dos materiais. Neste cenário, o presente artigo utiliza o método das linhas de transmissão para modelar as linhas de escoamento de um sistema de posicionamento eletro-hidráulico no qual são utilizadas linhas longas e de pequeno diâmetro. O objetivo é o de verificar o comportamento do sistema fluídico e compará-lo à modelagem tradicional que utiliza parâmetros concentrados. Os resultados da simulação são apresentados e discutidas as equivalências e discrepâncias entre os modelos analisados

ENERGY HARVESTING TO POWER AN AUTONOMOUS SENSOR FROM MECHANICAL VIBRATIONS

This paper describes an approach for harvesting electrical energy from a low-cost piezoelectric element operating at low amplitude vibration to power an autonomous and self-powered sensor. The converter consists of an ordinary piezoelectric buzzer and a steel ball bonded onto it. Furthermore, the design of the CMOS energy processor is presented focusing on the voltage multiplier and for which simulation and measurements results are discussed. This paper presents simple and analytical formulas with high precision to predict the dc output voltage of the voltage multiplie