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Type: TESE DIGITAL
Title: Contribuição à modelagem e realização de osciladores de tensão ultrabaixa com aplicação em extração de energia = Contribution to modeling and realization of ultralow voltage oscillators with application to energy harvesting
Title Alternative: Contribution to modeling and realization of ultralow voltage oscillators with application to energy harvesting
Author: Telles, Antonio Carlos da Costa, 1963-
Advisor: Pomilio, José Antenor, 1960-
Abstract: Resumo: Sistemas autônomos como dispositivos implantáveis, redes de sensores sem fio e sistemas embarcados requerem uma fonte de energia usualmente na forma de bateria ou supercapacitor. A miniaturização e a redução do consumo de potência em dispositivos eletrônicos modernos permite o uso de fontes alternativas como forma de estender a vida útil destes sistemas. A energia pode ser fornecida pelo ambiente, na forma de luz solar, vibração, calor ou ondas eletromagnéticas. O processo de captação e adequação desta energia é chamado de extração ou coleta de energia. O desenvolvimento de sistemas de extração de energia envolve desafios. Algumas fontes fornecem apenas dezenas de milivolts ou nanoamperes. Uma abordagem para extrair energia de fontes de baixa tensão é o projeto de osciladores que possam operar nestas condições. Esta área do conhecimento vem sendo objeto de intensa pesquisa. Várias estratégias são utilizadas, e sistemas operando com até 3,5 mV são descritos. Há, contudo um compromisso entre mínima tensão de operação, capacidade de potência e volume/complexidade. O comportamento de osciladores em tensão ultrabaixa é altamente não-linear e dependente dos parâmetros dos dispositivos e condições de operação. Técnicas convencionais são inadequadas para a análise destes circuitos em situação tão extrema. A impossibilidade de prever com precisão aceitável parâmetros como excursão de tensão e frequência de oscilação e a falta de compreensão mais profunda do mecanismo de funcionamento tornam difícil a especificação dos blocos seguintes ao oscilador no sistema de extração de energia. Este trabalho propõe a aplicação do oscilador com acoplamento nas portas como um módulo de extração de energia de tensão ultrabaixa. O comportamento do circuito é tipicamente como multivibrador astável e uma modelagem utilizando a teoria de oscilações não lineares é apresentada, tanto para circuitos com transistores MOS (MOSFETs) como com transistores bipolares (BJTs). A validade do modelo é verificada através de experimentos com protótipos discretos e uma boa concordância é obtida entre a teoria e a prática. A topologia necessita de uma tensão nas bases dos BJTs ou portas de MOSFETs convencionais de forma que a oscilação possa se iniciar. Um novo módulo, chamado de bloco de partida, é proposto que deriva esta tensão de polarização da fonte de alimentação, tornando o circuito independente de uma tensão preexistente. Um modelo linear para este bloco é apresentado e verificado através da caracterização de um protótipo. Experimentos com circuitos discretos utilizando o bloco de partida mostram que os osciladores podem iniciar sua operação com uma tensão única tão baixa quanto 50 mV. Os protótipos com BJTs e MOSFETs foram capazes de fornecer 173 µW e 560 µW para uma alimentação de 100 mV, respectivamente, demonstrando que a topologia pode ser uma alternativa competitiva em termos de desempenho, tensão de operação e complexidade quando comparada a outras já apresentadas na literatura

Abstract: Autonomous systems, such as implanted devices, wireless sensor networks, and embedded systems, require an energy source which is usually in the form of a battery or a supercapacitor. The miniaturization and reduction of power consumption in modern electronic devices enables the use of alternative energy sources as a way of extending the life-span of these systems. The energy can be supplied by the environment, such as sunlight, vibration, heat, or RF waves. The process of extracting and fitting this energy is usually called energy harvesting. The development of energy harvesting systems presents challenges. Some sources can only supply dozens of millivolts or nanoamperes. One approach to harvest the energy of low-voltage sources is by designing oscillators that can operate in these conditions. This knowledge area is subject of intensive research. Many approaches are proposed, and systems operating with voltages as low as 3.5 mV are described. However, there is a tradeoff between minimum operating voltage, power capacity and volume/complexity. The behavior of oscillators at ultralow voltage is very nonlinear and dependent of the device parameters and operational conditions. Conventional techniques are not able to give reasonable results in the analysis of circuits in such extreme levels. The lack of a prediction of parameters like voltage excursion and oscillation frequency with acceptable precision and a deeper understanding of the working mechanism turn difficult the specification of the blocks that follow the oscillator in the energy harvesting system. This work proposes the application of the oscillator with coupling at the gates as an ultralow voltage energy harvesting module. The behavior of the circuit is typically as astable multivibrator and a modeling using the theory of nonlinear oscillations is presented, when applying MOS transistors (MOSFETs) or bipolar junction transistors (BJTs). The validity of the models is verified through experiments with discrete prototypes and good agreement is found between theory and practice. The topology needs a voltage biasing at the bases of the BJTs or gates of the conventional MOSFETs in order it starts oscillating. A new module, called starting block, is proposed that derives this biasing voltage from the voltage source, turning the circuit independent of a preexistent voltage. A linear model for this block is presented and checked by the characterization of a prototype. Experiments with discrete prototypes with the starting block show that the oscillators can start operating with a unique source as low as 50 mV. Prototypes with BJTs and MOSFETs were able to provide 173 µW and 560 µW from a supply of 100 mV, respectively, demonstrating that the proposed topology can be a competitive option regarding performance, operating voltage and complexity when compared with those previously presented
Subject: Oscilações não-lineares
Tensão
Energia
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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