Preguntas frecuentes: Recuperación de energía termoeléctrica con el LTC3108 y el LTC3109

Q. ¿Cuáles son las aplicaciones objetivo del LTC3108 y del LTC3109?

A. Como se indica en la hoja de datos, estas piezas están destinadas a aplicaciones que requieren una potencia media baja (en el rango de los milivatios o menos). Puede ser un microcontrolador que funcione de forma continua, o un sensor/transmisor inalámbrico que funcione con un ciclo de trabajo bajo. El LTC3108 y el LTC3109 han sido diseñados para ser alimentados por cualquier fuente que pueda proporcionar una tensión de entrada mínima de unos 25 mV, con una resistencia de fuente baja (idealmente 3Ω o menos). El LTC3109 puede funcionar igualmente bien con tensiones de entrada de cualquier polaridad (o con una entrada de CA de baja frecuencia).

Q. ¿Qué diferencia de temperatura necesito para poner en marcha el LTC3108 y el LTC3109?

A. Con un TEG cuadrado de 40 mm y un disipador de calor adecuado, el LTC3108 y el LTC3109 pueden arrancar y controlar VLDO y V_OUT (sin carga) con un dT tan pequeño como 1°K o menos. Sin embargo, con los TEG más pequeños y los disipadores de calor, suele ser necesario un diferencial de temperatura de unos 5°K.

Q. ¿Qué potencia puedo obtener del LTC3108 o del LTC3109?

A. Esto depende de la tensión de entrada y de la resistencia de la fuente (es decir, del TEG que utilices, de la cantidad de disipación de calor proporcionada y de la cantidad de dT disponible). Hay curvas en las hojas de datos que muestran la capacidad de corriente de salida para diferentes tensiones de entrada y diferentes relaciones de transformación. En general, la capacidad de potencia media de salida está limitada a unos 15 mW como máximo, incluso con tensiones de entrada elevadas V_EN. En el otro extremo, para V_ENla potencia media de salida puede ser inferior a 50µW.

Q. Entonces, ¿mi cliente no puede utilizar el LTC3108 o el LTC3109 para alimentar un LED?

A. No, probablemente no de forma continua. La potencia media de salida requerida es demasiado alta (todavía tenemos que obedecer las leyes de la física). Sin embargo, ¡puede pulsar un LED muy bien!

Q. ¿Qué pasa si mi cliente necesita más potencia de salida de la que puede proporcionar el LTC3108?

A. El LTC3109 puede configurarse para un funcionamiento unipolar con un solo transformador. En esta configuración suministrará más del doble de corriente que el LTC3108. La resistencia de entrada en esta configuración es de 1 ohmio, por lo que es una mejor combinación de carga para fuentes de tensión de baja resistencia de 1 ohmio o menos.

Q. ¿Cuál es la diferencia entre un TEC (refrigerador termoeléctrico) y un TEG (generador termoeléctrico)?

A. En general, nada. En algunos casos, al fabricar un dispositivo termoeléctrico para la generación de energía, los fabricantes utilizan una soldadura de mayor temperatura para permitir una mayor temperatura de funcionamiento y una mayor potencia. (Cuando utilizo el término TEG en la hoja de datos, me refiero simplemente a que estamos utilizando un módulo Peltier para generar energía, no para enfriar)

Q. ¿Cómo elegir un TEG para una aplicación determinada?

A. Esto dependerá de la potencia media requerida por la aplicación, y del dT disponible a través del TEG. La potencia de un TEG típico es de unos 90µW/°K - cm²suponiendo un disipador de calor adecuado. Teniendo en cuenta las pérdidas de conversión, cuenta aproximadamente 25µW/°K - cm² máximo en la salida del LTC3108. Por ejemplo, un TEG de 40mm x 40mm (con una resistencia de origen <2,5Ω) con un dT de 10°K a través de él producirá unos 4mW de potencia máxima de salida del LTC3108. Ten en cuenta que mantener un dT de 10°K requerirá una muy buena transferencia de calor con un TEG tan grande.

Q. Las TEC no parecen estar especificadas para la producción de energía, así que ¿cómo puedo saber cuáles funcionarán mejor para la recolección?

A. Los fabricantes especifican el voltaje máximo y la corriente máxima de la TEC (cuando se utiliza con fines de refrigeración). Para obtener la mayor potencia de salida en una aplicación de captación de energía, elige el TEC con la mayor tensión nominal y la mayor corriente nominal. Por lo general, esto proporcionará la mayor tensión de salida para un dT determinado, y la menor resistencia de la fuente para permitir la mayor transferencia de potencia a la carga. SIN EMBARGO, cuanto mayor sea el TEG, menor será su resistencia térmica, lo que significa que se necesitará más disipación de calor en el lado frío del dispositivo para mantener un dT a través de él. Por lo tanto, los TEG más grandes sólo son beneficiosos si utilizas un disipador más grande. Las aplicaciones que no necesitan tanta potencia funcionarán bien con un TEG pequeño (digamos de 15 mm cuadrados) y un disipador pequeño.

Q. ¿Qué tipo de tensión de salida en circuito abierto produce un TEG?

A. Esto depende de muchos factores (fabricante, número de modelo y temperatura absoluta), pero como regla general la tensión en circuito abierto es de aproximadamente N*0,25mV por grado Kelvin a través del dispositivo, donde N es el número de pares (que se publica en la hoja de datos del TEG).

Q. ¿Y los nuevos TEG de película fina de Micropelt y Nextreme? ¿Funcionan bien el LTC3108 y el LTC3109 con ellos?

A. Estos nuevos dispositivos de película fina son muy pequeños y delgados, y suelen estar diseñados para proporcionar una tensión de salida más alta (voltios) con una corriente de salida baja. En el caso del dispositivo Micropelt, la resistencia de la fuente es muy alta (más de 300 ohmios), por lo que no se adapta muy bien a la entrada del LTC3108 o del LTC3109. El dispositivo Nextreme tiene una resistencia mucho menor y puede funcionar bien, pero requiere un dT mucho mayor (normalmente 50 - 70°K). El LTC3108 y el LTC3109 se han diseñado para funcionar de forma óptima con los TEG "tradicionales" (que suelen tener una resistencia de fuente de entre 0,5 y 5 ohmios) que están ampliamente disponibles en muchos fabricantes. El LTC3105, un convertidor boost de 250 mV con MPPC, es más adecuado para fuentes de mayor resistencia, como el dispositivo Micropelt, ya que la resistencia de entrada del convertidor puede programarse para que coincida con la resistencia de la fuente.

Q. ¿No es el pequeño tamaño de estos dispositivos de película fina una gran ventaja?

A. Tal vez, pero no olvides que cualquiera de estos dispositivos requerirá un disipador de calor al entorno, y una conexión a una fuente de calor (o frío), por lo que al final, la solución tiende a ser bastante grande, independientemente del tamaño del TEG.

Q. Entiendo que la resistencia de la carga debe coincidir con la resistencia de la fuente de TEG para conseguir la máxima transferencia de energía. ¿Cómo puedo hacerlo?

A. Puedes aproximar la resistencia del TEG dividiendo la tensión nominal máxima por la corriente nominal máxima. Elige un módulo con una resistencia de 2,5 ohmios o menos para una transferencia de potencia óptima. La resistencia de entrada del circuito cosechador del LTC3108 se muestra en las curvas de la hoja de datos, pero suele ser >= 2,5 Ohmios. La resistencia de entrada del LTC3109 suele ser de 5,5Ω en la configuración de autopolaridad. Sin embargo, aunque la coincidencia no sea perfecta, es preferible utilizar el menor R_S TEG disponible para maximizar la capacidad de energía. La advertencia que hay que hacer es que los TEG de baja resistencia suelen ser grandes y también tienen menor resistencia térmica. Por lo tanto, también necesitarán un disipador de calor más grande para mantener el dT deseado en el dispositivo.

Q. Sigues hablando del disipador de calor. ¿Por qué es tan importante y cómo puedo dimensionar el disipador de calor?

A. Un TEG sólo puede producir energía de salida si hay una caída de temperatura a través de él, lo que requiere un flujo de calor a través de él. Por lo tanto, suele ser necesario un disipador de calor en un lado del dispositivo, para mantener un dT a través de él. De lo contrario, todo el TEG simplemente alcanzará la misma temperatura que el lado caliente o frío, y no se producirá energía. (Una excepción a esto sería si el TEG estuviera intercalado entre dos superficies a diferentes temperaturas que tuvieran cada una una gran masa térmica y una baja resistencia térmica, como una tubería de agua caliente y fría. En este caso, por supuesto, no sería necesario un disipador de calor adicional) Para un rendimiento óptimo, el disipador de calor debe tener una resistencia térmica tan baja o más baja que la del TEG. Como el TEG típico tiene una resistencia térmica de aproximadamente 1-10°C/W (dependiendo de la superficie y el grosor), esto requiere un disipador de calor de calidad razonable. Los TEG más grandes tendrán una menor resistencia térmica y, por tanto, necesitarán disipadores más grandes. El disipador tiene un impacto directo en el dT, que afecta directamente a la capacidad de salida de potencia.

Q. ¿Cuánto cuestan los TEG? He oído que son caros.

A. Conseguir precios de volumen para WIP o TEG parece ser un reto. En cantidades unitarias, los precios de los fabricantes y distribuidores estadounidenses suelen oscilar entre 15 y 30 dólares cada uno. Sin embargo, que no cunda el pánico: puedes comprar un solo TEG de 40 mm en Ebay por menos de 5 dólares incluido el envío desde Chinapor lo que el precio por volumen debería ser inferior al coste de nuestro CI. Algunos fabricantes ofrecen ahora pequeños TEG por unos 1$ en grandes cantidades.

Q. ¿Dónde pueden mis clientes comprar una TEC o TEG, y cuáles son las referencias recomendadas?

A. Algunos de los principales fabricantes y distribuidores de TEC/TEG son Tellurex, Marlow, CUI, Ferrotec y Laird. El número de pieza específico que se necesitará o funcionará mejor depende de la aplicación.

Q. ¿Cómo puedo dimensionar el C_TIENDA y C_OUT ¿condensadores?

A. Esto se explica, con dos ejemplos detallados, en las hojas de datos del LTC3108 y del LTC3109. Sólo recuerda que cualquier corriente de carga pulsada debe provenir de la V_OUT condensador. El condensador de almacenamiento sólo se utiliza para proporcionar una pequeña corriente para recargar V_OUT en los momentos en que se pierde la fuente de tensión de entrada. Por esta razón, el elemento de almacenamiento (batería o condensador) no necesita ser de baja ESR, y de hecho puede ser de cientos de ohmios.

Q. ¿Puedo utilizar baterías de iones de litio o las nuevas baterías de litio recargables de película fina para la célula de almacenamiento?

A. Sí, pero necesitarás otro circuito externo (el LTC4070) para proteger la batería de la sobrecarga y la sobredescarga. Ten mucho cuidado si utilizas las nuevas pilas de película fina de Infinite Power Solutions o Cymbet, ya que tienen una capacidad muy baja. Necesitas una versión especial del circuito de protección que NO consuma corriente cuando la batería llegue a UV. De lo contrario, la batería puede sobrecargarse y dañarse si no se carga durante un día.

Q. ¿Cuál es la eficiencia de conversión del LTC3108 y del LTC3109? (¿y por qué es tan bajo?)

A. La hoja de datos contiene curvas que muestran la eficiencia para diferentes tensiones de entrada y diferentes relaciones de transformación. En general, la eficiencia de V_EN a V_OUT es sólo del 20-40% (ten en cuenta que esto no incluye las pérdidas en el propio TEG debidas a la resistencia de la fuente). Recuerda: ¡estás aumentando la tensión por un factor de 100! Hay muchas fuentes de pérdida de potencia (control de puerta, transformador, rectificador), especialmente cuando la potencia total es de sólo unos cientos de microvatios. Sin embargo, la principal fuente de pérdida de potencia suele ser el Rdson NMOS. En V_ENincluso la corriente de reposo de 6-7µA del circuito integrado se convierte en una pérdida importante.

Q. ¿Cómo elegir la relación óptima del transformador elevador para una aplicación?

A. La hoja de datos proporciona curvas de I_OUT vs V_EN para diferentes relaciones de los transformadores, para ayudar a optimizar la selección del transformador para una aplicación determinada. Sin embargo, puedes utilizar estas sencillas reglas para seleccionar la proporción:

• Si la aplicación debe iniciarse con la menor tensión posible (hasta 20 mV), utiliza la relación 1:100
• Si la aplicación debe comenzar con la tensión más baja posible (hasta 20 mV), utiliza la relación 1:100
• Si la tensión mínima de entrada (bajo carga) es de al menos 150 mV, utiliza la relación 1:20

Q. ¿Hay otras opciones disponibles para el transformador elevador aparte de Coilcraft?

A. Sí, Wurth fabrica ahora transformadores que son esencialmente idénticos a las piezas Coilcraft.

Q. ¿Por qué la tensión máxima de entrada es tan baja? (2V en SW, o V_EN*Relación < 50)

A. Hay varias razones. En primer lugar, tratamos de evitar tensiones muy elevadas en el devanado secundario, por razones de seguridad y para no superar la capacidad de aislamiento de los devanados del transformador (valor conservador de 100 V), o la capacidad de los condensadores C1 y C2. En segundo lugar, tenemos que limitar la tensión máxima que se ve en la puerta de drenaje de los dispositivos NMOS cuando están apagados (V_GATE puede ser igual a -6V). Por último, si V_EN es de 300mV o más, debes utilizar el LTC3105, y si es de 800mV o más, elige el LTC3525 o el LTC3526L.

Q. ¿Tenemos alguna patente sobre el LTC3108 o el LTC3109?

A. No tenemos ninguno en el LTC3108. La arquitectura resonante básica que utiliza está cubierta por numerosas patentes que se remontan a más de 20 años, y ahora es de dominio público. Tenemos una patente pendiente sobre la arquitectura de autopolaridad del LTC3109.

Q. ¿Qué pasa con las aplicaciones de captación solar con el LTC3108?

A. En general, deberías mirar primero el LTC3105 para estas aplicaciones. El LTC3108 necesita una corriente de entrada mínima de unos pocos miliamperios (a la entrada del inversor) sólo para arrancar, y puede no coincidir con una buena carga para una célula fotovoltaica. Por lo tanto, las células solares pequeñas con una corriente de cortocircuito inferior a unos pocos miliamperios no funcionarán con el LTC3108 (o LTC3109).