Zbieranie energii RF

Na całym świecie działa wiele urządzeń bezprzewodowych, które pod wieloma względami sprawiają, że życie ludzi jest łatwe i wygodne, ale wszystkie te urządzenia bezprzewodowe wymagają wielokrotnego ładowania, aby z nich korzystać. Ale co, jeśli możemy użyć tej samej częstotliwości radiowej, która przesyła dane, do ładowania urządzeń. Ta technologia ograniczyłaby lub zrezygnowała z użycia baterii do zasilania obwodu wewnątrz urządzenia. Chodzi o to, aby pozyskiwać energię z częstotliwości radiowej za pomocą anten zamiast generować energię z ruchu lub energii słonecznej. W tym artykule szczegółowo omówiono zbieranie energii RF.

Jak działa RF Energy Harvesting?

Dostępnych jest wiele źródeł RF, ale ważne jest, aby najpierw zrozumieć, jak zamienić RF na energię lub elektryczność ? Proces jest dość prosty, przypomina normalny proces odbioru sygnału przez antenę. Zrozummy więc proces konwersji za pomocą prostego diagramu.

Źródłem (może być dowolne urządzenie lub obwód elektroniczny, który) przesyła sygnały RF, a obwód aplikacyjny, który ma wbudowany obwód do konwersji energii, odbiera RF, co następnie powoduje różnicę potencjałów na długości anteny i tworzy ruch nośniki ładunku przez antenę. Nośniki ładunku przemieszczają się do obwodu konwersji RF na DC, tj. Ładunek jest teraz przekształcany w prąd stały przy użyciu obwodu, który jest tymczasowo przechowywany w kondensatorze. Następnie za pomocą obwodu kondycjonowania mocy energia jest wzmacniana lub konwertowana do wartości potencjału zgodnie z wymaganiami obciążenia.

Istnieje wiele źródeł transmitujących sygnały RF, takich jak stacje satelitarne, stacje radiowe, bezprzewodowy internet. Każda aplikacja, która ma podłączony obwód zbierający energię RF, odbierze sygnał i przekształci go w energię elektryczną.

Proces konwersji rozpoczyna się, gdy antena odbiorcza odbiera sygnał i powoduje różnicę potencjałów na długości anteny, co dodatkowo powoduje ruch nośników ładunku anteny. Te nośniki ładunku z anteny przemieszczają się do obwodu dopasowania impedancji połączonego przewodami. Sieć dopasowująca impedancję (IMN) zapewnia maksymalny transfer mocy z anteny (źródło RF) do prostownika / powielacza napięcia (obciążenia). Impedancja w obwodzie RF jest tak samo ważna, jak rezystancja w obwodzie prądu stałego, dla optymalnego przenoszenia mocy między źródłem a obciążeniem.

Sygnał RF odbierany na antenie ma przebieg sinusoidalny, tj. Jest sygnałem prądu przemiennego i wymaga konwersji na sygnał prądu stałego. Po przejściu przez IMN, prostownik lub obwód powielacza napięcia prostuje i wzmacnia sygnał zgodnie z potrzebami aplikacji. Obwód prostownika nie jest prostownikiem półfalowym, pełnookresowym ani mostkowym, zamiast tego jest obwodem powielacza napięcia (specjalny prostownik), który prostuje sygnał, a także wzmacnia wyprostowany sygnał w oparciu o wymagania aplikacji.

Energia elektryczna przekształcona z prądu przemiennego na prąd stały za pomocą powielacza napięcia trafia do obwodu zarządzania energią, który wykorzystuje kondensator lub baterię do magazynowania energii elektrycznej i dostarcza ją do obciążenia (aplikacji) w razie potrzeby.

Jakie są s

Jak wspomniano wcześniej, istnieje wiele urządzeń wykorzystujących sygnały RF, co oznacza, że byłoby wiele źródeł do odbioru sygnału RF w celu pozyskania energii.

Źródła RF, które można wykorzystać jako źródło energii, to:

Stacje radiowe: Stare, ale godne uwagi stacje radiowe regularnie emitują sygnały RF, które można wykorzystać jako źródło energii.
Stacje telewizyjne: To również jest stare, ale godne źródło, które wysyła sygnały 24/7 i jest uważane za dobre źródło energii.
Telefony komórkowe i stacje bazowe: miliardy telefonów komórkowych i ich stacji bazowych emitują sygnały RF, które w rezultacie są dobrym źródłem energii.
Sieci bezprzewodowe: Istnieje wiele routerów Wi-Fi i urządzeń bezprzewodowych obecnych wszędzie i należy je również uznać za dobre źródło pozyskiwania energii z RF.

Są to główne urządzenia obecne na całym świecie, które są głównymi źródłami RF, które można wykorzystać do pozyskiwania energii, czyli wytwarzania energii elektrycznej.

Praktyczne zastosowania pozyskiwania energii radiowej

Poniżej wymieniono niektóre zastosowania Energy Harvester wykorzystujące system RF:

Karty RFID: Technologia RFID (Radio Frequency Identification) wykorzystuje koncepcję zbierania energii, która ładuje swój „znacznik” poprzez odbieranie sygnału RF z samego czytnika RFID. Aplikację można zobaczyć w centrach handlowych, metrach, stacjach kolejowych, branżach, szkołach wyższych i wielu innych miejscach.
Badania lub ocena: Firma Powercast uruchomiła tablicę ewaluacyjną - „P2110 Eval board”, która może być używana do celów badawczych lub do oceny niektórych nowych aplikacji, biorąc pod uwagę wymagane i otrzymane uprawnienia oraz zmiany, które mają zostać wprowadzone po ocenie.

Oprócz tych praktycznych zastosowań, istnieje wiele dziedzin, w których można zastosować technologię pozyskiwania energii, np. W monitoringu przemysłowym, rolnictwie itp.

Ograniczenia pozyskiwania energii RF

Przy dobrych zastosowaniach i wielu zaletach istnieją również pewne wady, a te wady są spowodowane istniejącymi ograniczeniami w tym zakresie.

Zatem ograniczenia systemu zbierania energii RF są następujące:

Zależność: jedyną zależnością systemu zbierania energii RF jest jakość odbieranych sygnałów RF. Wartość RF może zostać zmniejszona z powodu zmian atmosferycznych lub przeszkód fizycznych i może oprzeć się transmisji sygnału RF, co skutkuje niską mocą wyjściową.
Wydajność: ponieważ obwód składa się z elementów elektronicznych, które z czasem tracą swoją funkcjonalność i dają słabe wyniki, jeśli nie zostaną odpowiednio zmienione. W rezultacie wpłynęłoby to na wydajność systemu jako całości i zapewniłoby w zamian niewłaściwą wydajność.
Złożoność: Odbiornik systemu musi być zaprojektowany w oparciu o jego zastosowania i obwód magazynowania energii, co czyni go bardziej złożonym w budowie.
Częstotliwość: Każdy obwód lub urządzenie zaprojektowane do odbierania sygnału RF w celu zbierania energii może być zaprojektowane do pracy tylko w jednym paśmie częstotliwości, a nie w wielu. Tak więc jest ograniczone tylko do tego pasma widma.
Czas ładowania: maksymalna moc wyjściowa z konwersji jest w miliwatach lub mikrowatach. Tak więc wytworzenie wymaganej mocy przez aplikację wymagałoby długiego czasu.

Oprócz tych ograniczeń, pozyskiwanie energii z wykorzystaniem częstotliwości radiowych (RF) ma wiele zalet, w wyniku czego znajduje zastosowanie w przemyśle automatyki, rolnictwie, IOT, przemyśle opieki zdrowotnej itp.

Sprzęt do zbierania energii RF dostępny na rynku

Sprzęt dostępny na rynku obsługujący zbieranie energii o częstotliwości radiowej to:

Powercast P2110B: Firma Powercast wprowadziła na rynek P2110B, który może być używany zarówno do oceny, jak i do zastosowań opartych na aplikacjach.

Aplikacje:
- Bezprzewodowe czujniki bez baterii
  - Monitoring przemysłowy
  - Smart Grid
  - Obrona
  - Automatyka budynkowa
  - Ropa i gaz
- Ładowanie baterii
  - Komórki na monety
  - Cienkowarstwowe komórki
- Elektronika małej mocy

Funkcje:
- Wysoka wydajność konwersji
- Konwertuje sygnały RF niskiego poziomu, umożliwiając zastosowania dalekiego zasięgu
- Regulowane napięcie wyjściowe do 5.
- Prąd wyjściowy do 50 mA
- Wskaźnik siły odbieranego sygnału
- Szeroki zakres działania RF
- Działanie do -12 dBm na wejściu
- Zewnętrznie resetowalny do sterowania mikroprocesorowego
- Przemysłowy zakres temperatur
- Zgodny z RoHS

Powercast P1110B: Podobnie jak P2110B, Powercast P1110B ma następujące funkcje i zastosowania.

Funkcje:
- Wysoka wydajność konwersji,> 70%
- Niskie zużycie energii
- Konfigurowalne napięcie wyjściowe do obsługi ładowania akumulatorów litowo-jonowych i alkalicznych
- Praca od 0 V do obsługi ładowania kondensatorów
- Wskaźnik siły odbieranego sygnału
- Szeroki zakres działania
- Praca do mocy wejściowej -5 dBm
- Przemysłowy zakres temperatur
- Zgodny z RoHS

Aplikacje:
- Czujniki bezprzewodowe
  - Monitoring przemysłowy
  - Smart Grid
  - Monitorowanie stanu strukturalnego
  - Obrona
  - Automatyka budynkowa
  - Rolnictwo
  - Ropa i gaz
  - Usługi oparte na lokalizacji
- Bezprzewodowy wyzwalacz
- Elektronika małej mocy.

Są to dwa dostępne na rynku urządzenia do zbierania energii oparte na częstotliwości radiowej, opracowane przez firmę Powercast.

Wykorzystanie zbierania energii RF w aplikacjach IOT

Wraz z rosnącą popularnością Internetu rzeczy (IoT) w automatyzacji urządzeń elektronicznych, aplikacje IoT są opracowywane dla domów i przemysłu, które potencjalnie mogą pozostać zasilane przez lata, czekając na impuls. Dzięki zdolności do zbierania energii takie urządzenia mogą dosłownie wyciągać energię z powietrza, aby naładować własne baterie lub zebrać wystarczającą ilość energii z otoczenia, tak że bateria może nawet nie wymagać żadnego zewnętrznego źródła zasilania do ładowania. Takie czujniki z własnym zasilaniem są obecnie zwykle nazywane „ zerową mocą”czujniki bezprzewodowe ze względu na możliwość dostarczania danych z czujników bezpośrednio do chmury IoT, przy użyciu bramy bezprzewodowej bez widocznego źródła energii. Pozyskując energię z dostępnych źródeł energii RF, można opracować nową generację urządzeń bezprzewodowych o ultraniskiej mocy (ULP), takich jak czujniki IoT, do zastosowań wymagających niewielkiej konserwacji, takich jak zdalne monitorowanie.

Zbieranie energii jest uważane za technologię „towarzyszącą” komunikacji bezprzewodowej, ponieważ umożliwia wydłużenie żywotności baterii urządzeń mobilnych i prawdopodobnie działanie bez baterii w przypadku niektórych urządzeń elektronicznych.