Este documento describe el diseño de un sistema de captación de energía residual basado en el módulo EH300 de Advanced Linear Devices. El objetivo es activar la salida del dispositivo EH300 utilizando la energía sonora. Se revisa el estado del arte en captación de energía acústica. El sistema propuesto consta de un transductor, conversores AC/AC y AC/DC, y el módulo EH300 para almacenamiento. Se detalla el funcionamiento del módulo EH300.

1. UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
PROYECTO FIN DE CARRERA
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE ENERGÍA
RESIDUAL BASADO EN EL ACONDICIONADOR EH300 DE LA
EMPRESA ADVANCED LINEAR DEVICES
Autora: Elisa Elías González
Tutores: Dr. Javier del Pino Suárez
D. Juan M. Sosa Navarro
Marzo 2010

2. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL BASADO EN EL ACONDICIONADOR
EH300 DE LA EMPRESA ADVANCED LINEAR DEVICES
LINEARDEVICES
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3. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
2. Objetivo
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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4. Introducción
Energy Harvesting: Proceso de captura
de cantidades ínfimas de energía a partir
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
de una o más fuentes naturales, su
acumulación y almacenamiento para un
determinado uso posterior
Solar
• Historia
• Actualidad Mecánica
• Tipos de energía Eólica
Termoeléctrica
Sonora
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5. Introducción
Energía solar: Forma de obtención de
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energía a partir de células fotovoltaicas
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• Placas solares
• Células de plástico
flexible y resistente
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6. Introducción
Energía mecánica
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Aprovechamiento del movimiento de una masa que
vibra solidariamente con la perturbación exterior
•Reloj de péndulo
•Magnetización de la masa
•Materiales piezoeléctricos
Masa magnetizada Piezoeléctrico
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7. Introducción
Energía eólica
MICROELECTRÓNICA APLICADA
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• Fuente Fuerza del viento Aerogeneradores
Velocidad del
viento necesaria
de 3 a 24 m/s
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8. Introducción
Energía termoeléctrica
MICROELECTRÓNICA APLICADA
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La diferencia de temperatura entre objetos y su
entorno ofrece la oportunidad de extraer energía
gracias a la transferencia de calor
Reloj Seiko Thermic
30µW para una diferencia de 5ºC
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9. Introducción
Energía sonora Nivel de ruido (dBSPL) Fuente
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0 Silencio.
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
El sonido consiste
10 Pisada.
en una vibración 20 Hoja de árboles en movimiento.
del aire que se 30 Conversación en voz baja.
propaga en forma 40 Biblioteca
50 Despacho tranquilo.
de ondas de
60 Conversación.
presión 80 Tráfico de una ciudad.
dBSPL Unidad de 90 Aspiradora.
medida utilizada 100 Tubo de escape de una motocicleta.
120 Concierto de rock.
para el nivel de
130 Martillo neumático.
potencia y de
150 Despegue de un avión a reacción.
intensidad del
180 Explosión de un artefacto.
sonido
Referencia de niveles acústicos dañinos
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10. Introducción
Comparación energética
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Densidad de potencia
Fuente de energía Fuente de información
(µW/cm3)
15.000 – Sol directo
Solar (exterior) De fácil obtención.
150 – Día nublado
Solar (interior) 6 – Mesa de oficina Experimentos.
Vibraciones 100 – 200 Shad Roundy et. al.
0,003 a 75 dB
Ruido acústico Teórico
0,96 a 100 dB
Variación de temperatura
10 Teórico
diaria
Gradiente de temperatura 15 a 10ºCelcius Stordeur & Stark, 1997
Inserciones piezoeléctricas en
330 Starner 1996
calzado
Potencia eléctrica a partir de las diferentes fuentes de captación
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11. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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12. Objetivo
Capacidad de activar la línea de salida del
dispositivo EH300 a partir de una fuente de
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
energía residual como es el sonido
• Captación de energía sonora y conversión
en energía eléctrica
• Acondicionamiento de la energía eléctrica
• Almacenamiento y gestión de esta energía
(EH300)
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13. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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14. Estado del arte
“Acoustic Energy Harvesting using
an Electromechanical Helmholtz Resonator”
MICROELECTRÓNICA APLICADA
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“Demonstration of a wireless, self-powered,
electroacoustic liner sistem”
Fei Liu et. Al., Universidad de Florida
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15. MICROELECTRÓNICA APLICADA Estado del arte
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Esquema de un revestimiento activo
Esquema básico del EMHR autoalimentado
Modelo eléctrico del EMHR y posible conexionado
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16. MICROELECTRÓNICA APLICADA Estado del arte
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Modelo eléctrico completo
•EMHR •Conversor flyback
•Rectificador •Carga
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17. Estado del arte
Sistema de revestimiento activo autoalimentado
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para la recepción de datos inalámbrico
Eficiencia entre
6% y 1,5% para
140 – 161 dB
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18. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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19. MICROELECTRÓNICA APLICADA Descripción de la propuesta
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Sistema de Acondicionador Sistema de
captación de señal almacenamiento
Transductor AC/AC AC/DC EH300
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20. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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21. El módulo EH300
•Captura de energía
•Almacenamiento
Funciones específicas
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•Acondicionamiento
•Administración
•0 - 500 V (DC o AC)
Funcionamiento
•200nA - 400mA
Elemento Descripción general
EH300 4,6mJ suministra cada módulo/ Rango de operación de 1,8V a 3,6V
EH300A 30mJ suministra cada módulo/ Rango de operación de 1,8V a 3,6V
EH301 8,3mJ suministra cada módulo/ Rango de operación de 3,1V a 5,2V
EH301A 55mJ suministra cada módulo/ Rango de operación de 3,1V a 5,2
Módulos de la serie EH300/301
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22. MICROELECTRÓNICA APLICADA El módulo EH300
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Dimensiones
Distribución de los pines
Vista cenital Esquema de funcionamiento
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23. MICROELECTRÓNICA APLICADA El módulo EH300
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Diseño LabVIEW
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24. El módulo EH300
Tiempos de activación de la salida del dispositivo
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100Hz 500Hz 1KHz 10KHz
Senoidal 5Vp 1,8’’ 1,8’’ 1,3’’ 1,3’’
Cuadrada 5Vp <1’’ <1’’ <1’’ <1’’
Rampa 5Vp 4,3’’ 3,6’’ 3,5’’ 2,6’’
Senoidal 4Vp 1’25’’ 15,3’’ 8,5’’ 2,2’’
Cuadrada 4Vp 43’’ 10’’ 6’’ 1’’
Señales periódicas
Vin(V) Tiempo (m’seg’’)
3 Tras 30’’ carga a 3,3V
4 3’52’’
5 Inmediato
6 Inmediato
Señales continuas
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25. El módulo EH300
Tiempo de activación(m’seg’’)
Vin (Vpp) Voffset(V)
Frec. 380Hz Frec. 450Hz
0 1’17’’ 56’’
1 36’’ 30’’
3
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2 2’’ 2’’
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3 1’’ 1’’
0 2’37’’ 2’13’’
1 1’55’’ 1’36’’
2,5
2 21’’ 18’’
3 1’’ 1’’
3 2’’ 2’’
2
4 1’’ 1’’
3 25’’ 20’’
1,5
4 1’’ 1’’
Señal periódica con nivel de continua
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26. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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27. MICROELECTRÓNICA APLICADA El transductor electroacústico
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Sistema de Acondicionador Sistema de
captación de señal almacenamiento
Transductor AC/AC AC/DC EH300
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28. El transductor electroacústico
Transformación de sonido en electricidad
MICROELECTRÓNICA APLICADA
• Micrófono
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 Necesidad de alimentación externa excepto el
de bobina móvil
 Alta impedancia
• Altavoz
 No necesita alimentación externa
 Baja impedancia
 Geometría
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29. El transductor electroacústico
Respuesta en frecuencia del altavoz
MICROELECTRÓNICA APLICADA
Altavoz convencional 16Ω y 0,3W
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Condiciones de trabajo para el cálculo de la FRF
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30. El transductor electroacústico
Tono generado con Tono generado con
señal senoidal señal cuadrada
MICROELECTRÓNICA APLICADA
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Receptor Frecuencia Receptor
Frecuencia (Hz) dBSPL dBSPL
(mVpp) (Hz) (mVpp)
340 140 109,9 340 176 113,8
350 200 111,8 350 264 115,2
360 296 112,5 360 368 115,4
370 400 112,1 370 488 114,5
380 432 110,6 380 500 113
390 336 109 390 384 111,8
400 256 108 400 296 111,3
410 192 107,2 410 208 110
420 144 106,6 420 160 111
430 112 106,1 430 128 111,4
Respuesta en frecuencia Respuesta en frecuencia
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31. El transductor electroacústico
Transformada rápida de Fourier
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Tono generado con señal Tono generado con señal
senoidal cuadrada
Frecuencia óptima de trabajo → 380Hz
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32. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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33. MICROELECTRÓNICA APLICADA Descripción de la propuesta
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Sistema de Acondicionador Sistema de
captación de señal almacenamiento
Transductor AC/AC AC/DC EH300
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34. El conversor AC/AC
•DC/DC
•DC/AC
Conversores de potencia
MICROELECTRÓNICA APLICADA
•AC/AC
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
•AC/DC
Transforman señal alterna en señal alterna
• Transformadores
• Autotransformadores
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35. El conversor AC/AC
Amplificar la señal que se obtiene del altavoz
m
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Circuito equivalente al transformador real
Relación de transformación
Pérdidas • En el cobre: Devanados y
autoinducción de fugas.
• En el hierro: Corriente magnetizante y
corriente de pérdidas
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36. El conversor AC/AC
Transformador CROVISA C210
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Entrada(Vpp) Salida(Vpp) Factor
0,1 1,44 14,4
0,2 2,8 14
0,3 4,2 14
0,4 5,8 14,5
0,5 7,12 14,2
0,6 8,56 14,3
0,7 10 14,3
0,8 11,4 14,3
0,9 13 14,4
1 14,4 14,4
1,1 15,8 14,4
1,2 17,2 14,3
Relación de transformación del transformador
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37. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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38. MICROELECTRÓNICA APLICADA Descripción de la propuesta
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Sistema de Acondicionador Sistema de
captación de señal almacenamiento
Transductor AC/AC AC/DC EH300
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39. El conversor AC/DC
Transforma la señal alterna en señal continua
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
• Rectificador de media onda
• Rectificador de onda completa
• Doblador, triplicador o cuadriplicador
de voltaje
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40. El conversor AC/DC
Cuadriplicador de voltaje
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
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41. El conversor AC/DC
Simulaciones:
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Esquema de simulaciones
Ejemplo de simulación: 2Vpp y 380Hz
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42. El conversor AC/DC
Resultados obtenidos de las simulaciones
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Factor de
Vin(Vpp) Vmax(V) VoutTeorico(V) VoutSim(V)
multiplicación
1,4 0,7 2,8 2,3 3,2
2,8 1,4 5,6 5 3,6
4,2 2,1 8,4 7,8 3,7
5,8 2,9 11,6 10,1 3,5
7,1 3,6 14,2 13,4 3,8
8,6 4,3 17,1 16,4 3,8
10 5 20 19,3 3,8
11,4 5,7 22,8 22,1 3,9
13 6,5 26 25,3 3,9
14,4 7,2 28,8 28,1 3,9
15,8 7,9 31,6 30,9 3,9
17,2 8,6 34,4 33,7 3,9
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43. El conversor AC/DC
Montaje • Condensadores cerámicos de valor 1µF
• Diodos Schottky MBR1100, ON
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Semiconductor
Diodo Diodo Schottky
0,6V umbral 0,2V umbral
0,534V 1,5V
Tensión de salida del multiplicador
para una tensión de entrada de 1Vpp
para dos tipos de diodos
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44. El conversor AC/DC
Resultado de las medidas sobre el circuito
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Vin(Vpp) Vmax(V) VoutMedido(V) Factor de multiplicación
1,4 0,7 2,3 3,3
2,8 1,4 5 3,6
4,2 2,1 7,7 3,7
5,8 2,9 10,8 3,7
7,1 3, 6 13,3 3,7
8, 6 4,3 16,1 3,8
10 5 18,9 3,8
11,4 5,7 21,7 3,8
13 6,5 24,7 3,8
14,4 7,2 27,4 3,8
15,8 7,9 30,1 3,8
17,2 8,6 32,8 3,8
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45. El conversor AC/DC
Configuración de salida AC + DC
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
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46. El conversor AC/DC
Resultados obtenidos de las simulaciones
MICROELECTRÓNICA APLICADA
Factor
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Vin(Vpp) Vout(Vpp) Voffset(V) Vmax(V)
Multiplicación
1,4 1,4 2,3 3 3,3
2,8 2,8 5 6,4 3,6
4,2 4,2 7,7 9,8 3, 7
5,8 5,8 10,8 13,7 3,7
7,1 7,12 13,3 16,86 3,7
8,6 8,56 16 20,28 3,7
10 10 18,9 23,9 3,7
11,4 11,4 21,6 27,3 3,8
13 13 24,6 31,1 3,8
14,4 14,4 27,3 34,5 3,9
15,8 15,8 30,9 38,8 3,9
17,2 17,2 33 41,6 3,8
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47. El conversor AC/DC
Resultados de las medidas sobre el circuito
MICROELECTRÓNICA APLICADA
Factor
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Vin(Vpp) Vout(Vpp) Voffset(V) Vmax(V)
Multiplicación
1,4 1,4 2,2 2,9 3,2
2,8 2,8 4,9 6,3 3,5
4,2 4,2 7,5 9,6 3,6
5,8 5,8 10,5 13,4 3,6
7,1 7,1 13,1 16,7 3,7
8,6 8,6 15,7 20 3,7
10 10 18,7 23,7 3,7
11,4 11,4 21,5 27,2 3,7
13 13 24,4 30,9 3,8
14,4 14,4 27,8 35 3,8
17,2 15,8 30,1 38 3,5
17,8 17,8 36,9 45,8 4,1
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE ENERGÍA RESIDUAL BASADO EN EL ACONDICIONADOR
EH300 DE LA EMPRESA ADVANCED LINEARDEVICES
47
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48. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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49. Resultados finales
Transductor AC/AC AC/DC EH300
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Sistema final de pruebas
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50. MICROELECTRÓNICA APLICADA Resultados finales
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Primera configuración (salida DC)
Segunda configuración (salida AC + DC)
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51. Resultados finales
Señal cuadrada Señal senoidal
Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo
MICROELECTRÓNICA APLICADA
D(cm) Vin(mVpp) dB Vin(Vpp) dB
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
1ºconfig 2ºconfig 1ºconfig 2ºconfig
1 1140 120,4 1’ 1’12’’ 984 117,6 1’11’’ 1’24’’
2 872 117,2 1’24’’ 1’39’’ 752 114,6 1’44’’ 1’59’’
3 736 116,3 1’46’' 2’4’’ 624 113,7 2’12’’ 2’32’’
4 520 113,4 2’57’’’ 3’23’’ 440 110,9 3’58’’ 4’22’’
5 336 110,4 7’17’’ 7’24’’ 280 107,5 14’10’’ 12’04’'
Tabla de resultados finales
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52. Resultados finales
Transductor
electroacústico
Acondicionamiento de la energía y
almacenamiento
EH300 4,6mJ
MICROELECTRÓNICA APLICADA
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EH300A 30mJ
Acondicionamiento
Sensor Microcontrolador Radio
de señal
Elemento Tensión (V) Corriente (A) Tiempo (s) Energía (J)
Sensor y circuito de
5 175µ 1,2 1,05m
polarización
Conversor A/D 3 250µ 1,2 0,9m
Microcontrolador (inactivo) 3 30µ 1 90µ
Microcontrolador (activo) 3 8m 0,5 12m
Radio 3 20m 0,1 6m
Total 20,04mJ
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53. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10.Conclusiones y líneas futuras
11. Presupuesto
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54. Conclusiones y líneas futuras
Conclusiones:
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
• Se ha conseguido activar la salida del módulo
EH300 a partir del sonido
• Nivel mínimo de presión sonora necesario
107,5dB, equivalente a el generado por una
motocicleta
• Funcionamiento en ambientes muy ruidosos.
Prueba con martillo hidráulico
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55. Conclusiones y líneas futuras
Líneas futuras:
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
• Miniaturización y optimización de los elementos.
 Altavoz
 Transformador
 Conversor AC/DC
• Desarrollo de una PCB para la integración
completa del sistema.
• Aprovechamiento de la energía mecánica de las
vibraciones.
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56. Índice
1. Introducción
MICROELECTRÓNICA APLICADA
2. Objetivo
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
3. Estado del arte
4. Descripción de la propuesta
5. El módulo EH300
6. El transductor electroacústico
7. El conversor AC/AC
8. El conversor AC/DC
9. Resultados finales
10. Conclusiones y líneas futuras
11.Presupuesto
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57. Presupuesto
Costes Total (€)
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
Costes de recursos humanos 209,15
Costes de herramientas software 51,15
Costes de ingeniería 35.712
Costes de equipos informáticos 18
Costes de medidas 38,35
Otros costes 505,65
Subtotal 36.534,3
IGIC (5%) 1.826,7
PRESUPUESTO TOTAL 38.361€
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58. UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
PROYECTO FIN DE CARRERA
MICROELECTRÓNICA APLICADA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CAPTACIÓN DE ENERGÍA
RESIDUAL BASADO EN EL ACONDICIONADOR EH300 DE LA
EMPRESA ADVANCED LINEAR DEVICES
Autora: Elisa Elías González
Tutores: Dr. Javier del Pino Suárez
D. Juan M. Sosa Navarro
Marzo 2010