Bezvadu RF enerģijas savākšana: RF-to-DC pārveidošana un Powercast aparatūras apskate

Alsungas novads (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Bezvadu RF enerģijas savākšana: RF-to-DC pārveidošana un Powercast aparatūras apskate


Enerģijas saĦemšana no saules un kustības nav neparastas metodes, lai pievadītu sistēmu. Bet ko par enerģijas ieguvi no RF "// www.allaboutcircuits.com/technical-articles/an-introduction-to-antenna-basics/" target = "_ blank"> Ievads antenu pamatiņos un antenas starojuma modeļos, caurlaidība, virzība, un iegūt.

Elektromagnētiskais lauks nav nemainīgs; tā intensitāte samazinās, jo tā izplatās no izstarojošā elementa. Tuvojoties antenai, lielu enerģijas daudzumu var pārsūtīt, izmantojot magnētiskos laukus. Tuvplūsmas bezvadu pārsūtīšanas ierīces izmanto to lieliski un var pārsūtīt jaudas vatus centimetru attālumos. Tālu no antenas, mazāku enerģijas daudzumu var pārsūtīt, izmantojot elektriskos laukus. Powercast izmanto tālu lauku, lai piegādātu jaudu attālumos līdz 25m (80ft).

Šajā kontūrplūsmas animācijā tuvu lauks tiek vizualizēts, kur kontūras "piesprauž" kopā antenas elementu

Izvēle, kuru izmantojamo bezvadu enerģijas pārneses mehānismu jūs izmantojat, ir atkarīgs no jūsu pieteikuma un jūsu paredzētā pašreizējā patēriņa. Pastāv vairāki bezvadu uzlādes standarti, kas konkurē par dominējošo stāvokli (Qi, PMA / AirFuel Alliance, WPC utt.), Katrā no tām ir dažādas uzlādes metodes un maksimālie lādēšanas attālumi. Tiem, kas interesējas par to, kas atrodas šādā ierīcē, skatiet mūsu digitālā lādētāja "Qi" noplūdi.

Viss no mūsu mobilajiem tālruņiem līdz Wi-Fi piekļuves punktiem mūsu mikroviļņu krāsnīs rada izmērāmus traucējumus elektromagnētiskajos laukos, kas mūs ieskauj. Šie traucējumi rada telpas telpu ar potenciālām enerģijām, kas laika gaitā un / vai attālumā mainās. Un kur pastāv potenciāla atšķirība, uzņēmīgs inženieris vienmēr var atrast veidu, kā veikt kādu noderīgu darbu.

Viens veids, kā šo elektromagnētisko lauku var izmantot, ir enerģijas ieguve. Jo īpaši to var panākt, izmantojot RF-to-DC pārveidotājus - enerģijas iegūšana no jau esošajiem radio viļņiem vidē.

Savācot enerģiju no RF

RF ir bagātīgs enerģijas ieguves avots, lai gan tas prasa tuvu raidošai antenai.

RF enerģijas iegūšanas koncepcija nav jauna, un process ir salīdzinoši vienkāršs. Radiouzvani sasniedz antenu un izmaina potenciālās starpības visā garumā. Šī potenciālā starpība izraisa to, ka lādēšanas nesēji pārvietojas gar antenas garumu, mēģinot izlīdzināt lauku, un RF-to-DC integrālā shēma spēj uztvert enerģiju no šo lādētāju nesējiem. Enerģija tiek uz laiku uzglabāta kondensatorā, un pēc tam tā tiek izmantota, lai izveidotu vēlamo potenciālo starpību pie slodzes.

Image pieklājīgi no Mouser

Ir iespējams izveidot ķēdi, kas apakšsistēmā veic RF-to-DC konversiju no viegli pieejamām sastāvdaļām. Izmantojot dažādas antenu kombinācijas, bezvadu uzlādes ruļļus, PMIC (barošanas vadības IC), barošanas uztvērēju mikroshēmas, ierosinātāju raidītājus u.tml., Var iegūt sistēmas, kas spēj uzņemt RF enerģiju. Pašlaik ir nedaudz retas īpašas integrētas shēmas (IC), kas īpaši konstruētas RF-to-DC pārveidošanai, un Powercast un E-Peas nodrošina vienīgi pašreizējos komerciālos risinājumus.

Pētījums par Powercast RF enerģijas ieguves aparatūru

Viens no vienīgajiem RF-to-DC pārveidotājiem, kas ir plaši pieejami lietošanai, ir Powercast. Šis uzņēmums ir izveidojis bezvadu RF enerģijas patēriņa moduļu līniju, kas darbojas tālu laukā, lai nodrošinātu mW nepārtrauktās jaudas, lai uzlādētu ierīces vai strāvas sensori.

Saskaņā ar Powercast, to RF-to-DC tehnoloģija ir īpaši piemērota ierīcēm, kuras var darbināt nedēļas vai mēnešus no 3V akumulatora (piem., Spēļu kontrolieriem, televizora vadiem, vides sensoriem, austiņām, bezvadu drošības kamerām).

Specializētie raidītāji nodrošina lielāko paredzamās enerģijas daudzumu vidē. Papildu enerģijas avoti ietver vienmēr Wi-Fi un mobilo antenu un, visbeidzot, periodiskās raidorganizācijas. Image courtesy Powercast Sensor Expo prezentācija.

Es nesen aizņēmu Powercast P2110 novērtēšanas komplektu, pateicoties Powercast, lai personīgi izpētītu RF-to-DC aparatūru. (Piezīme. Nav iesaistīta naudas apmaiņa ar Powercast.)

P2110 novērtēšanas komplektā ir 900 MHz raidītājs, 2, 4 GHz piekļuves punkts, divi bezvadu sensora moduļi un divas P2110 novērtēšanas plates, kuru pamatā ir P2110 modulis.

RF savākšanas antenas

Antenas, kas paredzētas interešu frekvencei, ir savienotas ar RF-enerģijas ievākšanas mikroshēmām, kas savukārt satur barošanas kondensatorus, kas uzglabā lādiņu.

PowerCast plākstera antena (900 MHz), kas iekļauta P2110 novērtēšanas komplektā. Image courtesy of Powercast

PowerCast dipola antena (900 MHz), kas iekļauta P2110 novērtēšanas komplektā. Image courtesy of Powercast

P2110 Eval padome

Novērtēšanas komisijai ir 12 pārbaudes punkti, lai ļautu inženieriem, kas novērtē moduli, pievienot osciloskopu zondi. Ir iespēja pievienot papildu supercapacitorus (caur caurumu vai virsmas stiprinājumu) vai piestiprināt vadus akumulatoram. Ir arī neliels 2, 54 mm plāksnes panelis. Vērtēšanas dēļi ir domāti pārbaudei un testēšanai, tāpēc ir ērti, ka šī valde man faktiski ļauj to izdarīt.

P2110 novērtēšanas valde. Attēls no Powercast

Attēla augšējā kreisajā pusē (tuvu SMA savienotājam) ir modulis P2110, kas sīkāk parādīts zemāk.

P2110 Powerharvester modulis.

P2110 modulis ir veidots, izmantojot PCC110 RF-to-DC pārveidotāju un PCC210 pastiprinātāju.

P2110 Powerharvester moduļa blokshēma

RF enerģija tiek ievadīta ierīcē, kur tā sasniedz RF-to-DC pārveidotāju IC (PCC110). Tur enerģiju var uzglabāt kondensatorā, kas savienots ar Vcap, vai arī to piegādā uz pastiprinātāju (PCC210). Iedarbības pārveidotājs noklusējumiem ir 3.3V izeja, bet to var noregulēt, pievienojot Vsetes rezistorus. INT PIN norāda, ka strāvas padeves pārveidotājs darbojas, un pārveidotāja atspējošanai var izmantot reset pin. DSET tapu var izmantot, lai atvienotu impulsa pārveidotāju no RF-to-DC bloka tiešas enerģijas mērījumiem no Dout tapa.

P2110 novērtēšanas panelis nodrošina barošanas iespējas bezvadu sensora paneļa WSN-EVAL-01, kam ir mitruma, temperatūras un gaismas sensori. Papildu sensoru var piestiprināt, izmantojot spaiļu bloku pie kuģa malas.

Sensora plāksni kontrolē Microchip PIC24F16KA102. Ir vērts atzīmēt, ka šis novērtēšanas komplekts ir aprīkots ar Microchip Pickit 3 in-circuit atkļūdotāju un pilnu avota kodu šim sensora mezglam.

Powercast ir WSN-EVAL-01

PIC24F16KA102 lielāko daļu savu laiku pavada miega režīmā, kur tas patērē vairākus desmitus pašreizējā nanoamperu. Kad INT pin informē mikrokontrolleru, ka 3.3 V ir pieejams, mikrovads pamostas, nolasa sensoru vērtības un pārraidīs datus, izmantojot borta bezvadu moduli, uz attālinātu piekļuves punktu. Pēc tam tas iet gulēt līdz nākamajai pārraidei. Pārraides intervālus regulē enerģijas daudzums, kas tiek uzglabāts borta kondensatoros vai paziņojumi avota kodā.

Kāpēc tik daudz vietas, kas veltīta kondensatoriem?

Šie enerģijas ieguves moduļi ir paredzēti darbam ar akumulatoru nomaiņas ierīcēm. Katra inženiera uzdevums ir aprēķināt jaudas budžetu un izlemt, cik liela ietilpība ir jāiegulda ķēdē. Pārāk liela ietilpība rada pārmērīgu ķēžu izmēru, pārmērīgus izdevumus un ilgus ieslēgšanās laikus. Pārāk maza jauda un barošanas spriegums var palikt zemāk par nepieciešamajiem darbības līmeņiem, pirms ķēde ir pabeidzis paredzēto uzdevumu. Es tev gribēs redzēt, kas tas izskatās pēc sekojošajiem eksperimentiem.

Novērtējuma kartē ir uz kuģa 1 mF (C3) un 50 mF (C5) kondensators, kā arī plaša telpa papildu kondensatoru pievienošanai testēšanai. Apskatīsim spriegumu laika gaitā, izmantojot divus dažādus kondensatorus. Pirmais eksperiments ir ar 50 mF kondensatoru, kas ir savienots ar dēli. Tas tiek paveikts, iestatot JP1 pozīcijā C5. Jūs ievērosiet, ka pēdas ir diezgan "izplūdušas", kuras es kādā brīdī paskaidrošu.

Vout izmērīts, izmantojot 50 mF kondensatoru. Attēli tiek uzņemti ar Tektronix MDO3104 jauktu domēnu osciloskopu.

Tālāk es atvienojos 50 mF kondensatoru un pievienoja 1 mF kondensatoru, pārvietojot jumperu uz C3. Jūs redzēsiet, ka spriegums tikai palielinās līdz apmēram 2, 5 V un nekavējoties sāk samazināties līdz sākotnējam līmenim. Spriegums nav pietiekami augsts, pietiekami ilgi, lai mikrokontrolleris varētu nolasīt sensoru vērtības un pārsūtīt tos.

Vout izmērīts, kamēr pieslēgts 1 mF kondensators.

Tātad, kas notiek ķēdē? Mēs varam uzzināt vairāk, uzraugot kondensatora spriegumu, aplūkojot izejas spriegumu. Pirmkārt, lai gan, mēs runājam par pēdas izplūdušo.

Ja mēs palielinām attēlu, mēs redzam labi izveidotu sinusoidālu viļņu. Un tas vienkārši notiek pie raidīšanas frekvences Powercast raidītāja. Vai nu kaut kas ķēdē vai osciloskopa zondē darbojas kā antena un tiek pacelta šī radio enerģija, pārklājot 915 MHz nesēju visam, ko mēra.

915 MHz pārraide parādās kā artefakts visos izmērītajos signālos.

Tālāk pievērsīsim uzmanību kondensatora spriegumam laika periodā, kas atbilst iepriekš parādītajam izejas-sprieguma viļņu formai. Mēs vispirms apskatīsim lietu ar 50 mF kondensatoru.

Vout mēra uz 1. kanāla (dzeltens), un Vcap tiek mērīts 2. kanālā (zilā krāsā)

Jūs ievērosiet, ka, lai gan Vout ir 3, 3 V, kondensatora spriegums pakāpeniski pazeminās, bet kopējais samazinājums nav lielāks par 0, 2 V. Tas ir sagaidāms, un tas nav problēma, kamēr kondensatora spriegums paliek virs izslēgšanas sprieguma no pastiprinātāja pārveidotāja.

Tālāk aplūkosim lietu ar 1 mF kondensatoru.

Vout mēra uz 1. kanāla (dzeltens), un Vcap tiek mērīts 2. kanālā (zilā krāsā)

Jūs ņemsiet vērā, ka Vout pēkšņi paceļas, Vcap ievērojami samazinās, un pēc tam tūlīt Vout sabojājas. Šis pēkšņais aptuveni 0, 5 V kritums kondensatora tuvumā ir pārāk liels, un pastiprinātāja pārveidotājs izslēdzas. Lēnām, palielināsies kondensatora spriegums, ieslēdzas jaudas pārveidotājs, un tas viss notiks atkal bezgalīgā cikla laikā. Pēkšņi tādi pilieni nekad nav labi, un spriegums palielinājies uzreiz pēc tam, kad es domāju, ka 1 mF kondensators, kuru es izmantoju, ir ESR (ekvivalentā sērijas pretestība), kas ir pārāk augsts.

Jābūt iespējai palielināt 1 mF kondensatoru ar vienu vai vairākiem kondensatoriem ar zemu ESR, lai izlīdzinātu šo pilienu. Neizslīdošais spriegums pastiprinātāja regulatoram diktēs, vai nepieciešams ievērojams kapacitātes pieaugums.

Es domāju, ka šādas situācijas ir tādas, kāpēc Powercast ir iekļāvis tik daudz kondensatora montāžas iespējas un testa punktus vērtēšanas panelī, viņi vēlas dizaineriem ātri un viegli noteikt, vai kondensators, kuru viņi izvēlējušies, lai to pielietotu, atbilstu viņu prasībām. dizains.

Raidītāja radiofrekvenču spektrs

Powercast raidītājs darbojas 902-928 MHz ISM (rūpnieciskā, zinātniskā un medicīniskā) joslā kopā ar dažiem radiolokācijas un amatieru radio pakalpojumiem.

Amerikas Savienotajās Valstīs FCC (Federālā Komunikāciju komisija) ir atbildīga par to, kādas frekvences tiek izmantotas kādam mērķim. Noklikšķiniet, lai palielinātu

Powercast raidītājs ir centrēts šīs joslas vidū. Zemāk redzamais attēls parāda testa vides frekvenču spektru no 0 MHz līdz 3 GHz. Skaidrs maksimums ir parādīts 916 MHz, kā arī divi mazāki pīķi, kas atbilst apraides kanāliem un 2.4 GHz ISM joslā (Wi-Fi, Bluetooth, mikroviļņu krāsnis utt.).

3 GHz frekvenču spektrs un ūdenskrituma gabals centrēts pie 1, 5 GHz, kamēr darbojas Powercast raidītājs. Dati reģistrēti ar Tektronix MDO3104 Mixed Domain osciloskopu

Spraugas sašaurināšana parāda transmisiju sīkāk. Atcerieties, ka attiecīgā ISM josla aptver 916 MHz ± 15 MHz. Zemāk redzamais attēls parāda visu ISM diapazona diapazonu.

30 MHz spektrs un ūdenskrituma paraugs 915 MHz centrā, kamēr darbojas Powercast raidītājs. Dati, kas reģistrēti ar Tektronix MDO3104 jaukto domēnu osciloskopu

Iespējams, ka no iepriekšējā attēla varēsit pateikt, ka Powercast raidītājs spēj saglabāt savu pārraidi pietiekami mazā joslas daļā, kur joprojām ir pietiekami daudz datu pārraides frekvencēs. Pārraide ir centrā 915 MHz un nokrīt ~ 50 dB 3 MHz no centrālo frekvenci.

Secinājums

RF enerģētikas ieguves IC ir bijis apmēram jau ilgu laiku. Tā kā nākotnes ICs joprojām ir zemākas un zemākas jaudas prasības, pretējā gadījumā izšķiesta enerģija apkārtējā vidē var tikt izmantota, lai nodrošinātu nākamā dizaina lietošanu bez kārtas. Jūs, iespējams, zināsit, kā ietaupīt enerģiju no vieglās un varbūt pat kustības, kāpēc ne pievienot RF enerģiju jūsu maisa trikiem?