В настоящее время в мире работает множество беспроводных устройств, которые во многих отношениях делают жизнь людей легкой и комфортной, но для их использования все эти беспроводные устройства необходимо заряжать снова и снова. Но что, если мы сможем использовать ту же радиочастоту, которая передает данные, для зарядки устройств. Эта технология позволит сократить или исключить использование батарей для питания схемы внутри устройства. Идея состоит в том, чтобы собирать энергию радиочастот с помощью антенн вместо генерации энергии из движения или солнечной энергии. В этой статье мы рассмотрим принципы сбора радиочастотной энергии, оборудование для этого и примеры использования данной технологии.

Как работает сбор радиочастотной энергии (энергии радиоволн)?

Существует множество источников радиочастотного излучения, но прежде всего важно понять, как преобразовать радиочастотное излучение в энергию или электричество? Процесс довольно прост, он аналогичен обычному процессу приема сигнала антенной. Итак, давайте разберемся с процессом преобразования, используя следующую простую схему.

Источник (может быть любое устройство или электронная схема, которая) передает радиочастотные сигналы, а прикладная схема, имеющая встроенную схему преобразования энергии, принимает радиочастотный сигнал, который затем вызывает разность потенциалов по всей длине антенны и создает движение носителей заряда через антенну. Носители заряда перемещаются в схему преобразования радиочастоты (RF) в постоянный ток, т.е. теперь заряд преобразуется в постоянный ток и временно сохраняется в конденсаторе. Затем с помощью схемы стабилизации мощности энергия усиливается или преобразуется в потенциальное значение, требуемое нагрузкой.

Существует множество источников, передающих радиочастотные сигналы, таких как спутниковые станции, радиостанции, беспроводной Интернет. Любое приложение, к которому подключена схема сбора радиочастотной энергии, будет получать сигнал и преобразовывать его в электричество.

Процесс преобразования начинается, когда приемная антенна принимает сигнал и вызывает разность потенциалов по длине антенны, которая в дальнейшем вызывает движение носителей заряда антенны. Эти носители заряда от антенны поступают в схему согласования импедансов, подключенную через провода. Схема согласования импеданса (impedance matching network, IMN) обеспечивает максимальную передачу мощности от антенны (РЧ-источника) к выпрямителю/умножителю напряжения (нагрузке). Импеданс в радиочастотной цепи так же важен, как и сопротивление в цепи постоянного тока, для оптимальной передачи мощности между источником и нагрузкой.

Радиочастотный сигнал, принимаемый антенной, имеет синусоидальную форму, т. е. представляет собой сигнал переменного тока, который необходимо преобразовать в сигнал постоянного тока. После прохождения через IMN схема выпрямителя или умножителя напряжения выпрямляет и усиливает сигнал в соответствии с потребностями приложения. Схема выпрямителя не является полуволновым, двухполупериодным или мостовым выпрямителем, а представляет собой схему умножителя напряжения (специального выпрямителя), которая выпрямляет сигнал, а также усиливает выпрямленный сигнал в зависимости от требований приложения.

Электричество, преобразованное из переменного тока в постоянный с помощью умножителя напряжения, поступает в схему управления питанием, которая использует конденсатор или батарею для хранения электричества и подает его в нагрузку (приложение) при необходимости.

Какие существуют источники радиочастотного сигнала?

Как упоминалось ранее, существует множество устройств, использующих радиочастотные сигналы, а это означает, что будет много источников приема этих сигналов.

Радиочастотные источники , которые можно использовать в качестве источника энергии:

• Радиостанции: старые, но достойные радиостанции регулярно излучают радиочастотные сигналы, которые можно использовать в качестве источника энергии.
• Телевизионные станции: Это тоже старый, но достойный источник, который передает сигналы круглосуточно и без выходных и считается хорошим источником энергии.
• Мобильные телефоны и базовые станции. Миллиарды мобильных телефонов и их базовых станций излучают радиочастотные сигналы, которые в результате являются хорошим источником энергии.
• Беспроводные сети. Повсюду присутствует множество Wi-Fi-маршрутизаторов и беспроводных устройств, и их также следует рассматривать как хороший источник сбора энергии из радиочастот.

Это основные устройства, присутствующие во всем мире, которые являются основными источниками радиочастот, которые можно использовать для сбора энергии, то есть генерации электрической энергии.

Практическое применение сбора энергии радиоволн

Можно выделить следующие системы, использующие сбор энергии радиоволн:

• Карты RFID: Технология RFID (радиочастотная идентификация) использует концепцию сбора энергии, которая заряжает свою «метку», получая радиочастотный сигнал от самого считывателя RFID. Приложение можно увидеть в торговых центрах, метро, ​​вокзалах, на промышленных предприятиях, в колледжах и во многих других местах.
• Исследование или оценка: Компания Powercast выпустила оценочную плату «P2110 Eval board», которую можно использовать в исследовательских целях или для оценки некоторых новых приложений с учетом требуемой и полученной мощности, а также изменений, которые необходимо внести после проведенной оценки.

Помимо этих практических применений, существует множество областей, где может использоваться технология сбора энергии радиоволн, например, в промышленном мониторинге, сельском хозяйстве и т. д.

Ограничения сбора радиочастотной энергии

Наряду с рядом преимуществ есть и некоторые недостатки, которые присущи технологиям сбора радиочастотной энергии, которые вызваны в большинства своем ограничениями данной технологии:

• Зависимость: единственной зависимостью системы сбора радиочастотной энергии является качество принимаемых радиочастотных сигналов. Энергия принимаемых радиоволн может быть уменьшена из-за атмосферных изменений или физических препятствий и может препятствовать передаче радиочастотного сигнала, что приведет к низкой выходной мощности на выходе устройств сбора этой энергии.
• Эффективность: поскольку схема состоит из электронных компонентов, которые со временем теряют свою функциональность, это может привести со временем к снижению эффективности данных устройств.
• Сложность: приемник для системы необходимо проектировать с учетом его применения и схемы накопления энергии, что усложняет его сборку.
• Частота: любая схема или устройство, предназначенное для приема радиочастотного сигнала для сбора энергии, может быть спроектировано для работы только в одном частотном диапазоне, а не в нескольких. Таким образом, устройство будет ограничено этим диапазоном спектра.
• Время зарядки: максимальная выходная мощность преобразования измеряется в милливаттах или микроваттах. Таким образом, для выработки необходимой энергии приложению потребуется много времени.

Но помимо этих ограничений, сбор энергии с использованием радиочастот (РЧ) имеет множество преимуществ, благодаря которым он находит применение в промышленности, автоматизации, сельском хозяйстве, IOT, здравоохранении и т. д.

Оборудование для сбора радиочастотной энергии

Доступное сейчас на рынке оборудование, поддерживающее сбор радиочастотной энергии:

• Powercast P2110B: Компания Powercast выпустила плату P2110B, которую можно использовать как для оценки, так и для использования в приложениях.

• Приложения:
  • Беспроводные датчики без батареек
    • Промышленный мониторинг
    • Умная сеть электроснабжения
    • Защита
    • Автоматизация зданий
    • Нефтяной газ
  • Подзарядка аккумулятора
    • Монетные ячейки
    • Тонкопленочные клетки
  • Электроника малой мощности

• Особенности и технические характеристики:
  • Высокая эффективность преобразования.
  • Преобразует радиочастотные сигналы низкого уровня, позволяя использовать приложения на большом расстоянии.
  • Регулируемое выходное напряжение до 5 В.
  • Выходной ток до 50 мА.
  • Индикатор уровня полученного сигнала.
  • Широкий РЧ-диапазон.
  • Работа при входном сигнале -12 дБм.
  • С внешним сбросом для микропроцессорного управления.
  • Промышленный температурный диапазон.
  • Соответствует RoHS.

• Powercast P1110B: Как и P2110B, Powercast P1110B имеет следующие функции и приложения.

• Функции:
  • Высокая эффективность преобразования, >70%.
  • Низкое энергопотребление.
  • Настраиваемое выходное напряжение для поддержки зарядки литий-ионных и щелочных батарей.
  • Работа от 0 В для поддержки зарядки конденсатора.
  • Индикатор уровня полученного сигнала.
  • Широкий рабочий диапазон.
  • Работа при входной мощности до -5 дБм.
  • Промышленный температурный диапазон.
  • Соответствует RoHS.

• Приложения:
  • Беспроводные датчики
    • Промышленный мониторинг
    • Умная сеть электроснабжения
    • Структурный мониторинг здоровья
    • Защита
    • Автоматизация зданий
    • Сельское хозяйство
    • Нефтяной газ
    • Службы с учетом местоположения
  • Беспроводной триггер
  • Маломощная электроника.

Это два устройства сбора энергии радиоволн, доступные сейчас на рынке и разработанные компанией Powercast.

Использование сбора радиочастотной энергии в приложениях Интернета вещей

С ростом популярности Интернета вещей (IoT) в автоматизации электронных устройств разрабатываются приложения IoT для дома и промышленности, которые потенциально могут годами оставаться включенными в ожидании запуска. Благодаря возможности сбора энергии такие устройства могут буквально извлекать энергию из воздуха для подзарядки собственных батарей или собирать достаточно энергии из окружающей среды, так что для зарядки батареи может даже не потребоваться какой-либо внешний источник питания. Такие датчики с автономным питанием теперь обычно называют беспроводными датчиками с «нулевым энергопотреблением» из-за их способности предоставлять данные датчиков непосредственно в облаке IoT, используя беспроводной шлюз без видимого источника энергии. Собирая мощность из доступных источников радиочастотной энергии, можно разработать новое поколение беспроводных устройств со сверхнизким энергопотреблением (ULP), таких как датчики Интернета вещей, для приложений, не требующих особого обслуживания, таких как удаленный мониторинг.

Сбор энергии радиоволн (радиочастотной энергии) рассматривается как «дополнительная» технология беспроводной связи, поскольку она может обеспечить продление срока службы батареи для мобильных устройств и, возможно, работу без батареи для некоторых электронных устройств.

32 просмотров