Энергия из радиочастотных систем

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Сбор и накопление энергии посредством радиосигналов – преобразование радиоволн в электричество

Накопление энергии от радиоволн

В мире работает много беспроводных устройств, которые делают жизнь людей легкой и комфортной во многих отношениях, но все эти беспроводные устройства необходимо заряжать снова и снова, чтобы использовать их. Но что, если, мы можем использовать ту же радиочастоту, которая передает данные, для зарядки устройств. Эта технология позволит сократить или исключить использование батарей для питания цепи внутри устройства. Идея состоит в том, чтобы собирать и накапливать энергию от радиочастот, используя антенны, а не генерировать энергию из движения или солнечной энергии.

Как работает сбор и накопление энергии от радиосигналов

Есть много доступных источников радиоволн, но прежде всего важно понять, как преобразовать их в энергию или электричество? Процесс довольно прост, он похож на обычный процесс приема антенной сигнала. Итак, давайте поймем процесс конвертации, используя простую диаграмму.

Источник (может быть любым устройством или электронной схемой) передает РЧ-сигналы (ВЧ-сигналы), а схема приложения, которая имеет встроенную схему для преобразования энергии, принимает РЧ-сигнал, который затем вызывает разность потенциалов по длине антенны и создает движение носителей заряда через антенну. Носители заряда перемещаются в схему преобразования ВЧ в постоянный ток, то есть заряд теперь преобразуется в постоянный ток с использованием схемы, которая временно сохраняется в конденсаторе. Затем, используя схему преобразования мощности, энергия усиливается или преобразуется в потенциальное значение, требуемое нагрузкой.

Есть много источников, которые передают радиосигналы, такие как спутниковые станции, радиостанции, беспроводной интернет. Любое приложение, к которому подключена схема сбора РЧ-энергии, получит сигнал и преобразует его в электричество.

Процесс преобразования начинается, когда приемная антенна принимает сигнал и вызывает разность потенциалов по всей длине антенны, что дополнительно приводит к перемещению носителей заряда антенны. Эти носители заряда от антенны перемещаются в схему согласования импедансов, соединенную через провода. Цепь согласования импедансов обеспечивает максимальную передачу мощности от антенны (источника РЧ-сигналов) к выпрямителю / умножителю напряжения (нагрузка). Полное сопротивление в радиочастотной цепи так же важно, как и сопротивление в цепи постоянного тока, для оптимальной передачи энергии между источником и нагрузкой.

РЧ-сигнал, принятый на антенне, имеет синусоидальную форму волны, то есть является сигналом переменного тока и должен быть преобразован в сигнал постоянного тока. После прохождения через цепь согласования импедансов схема выпрямителя или умножителя напряжения выпрямляет и усиливает сигнал в соответствии с потребностями приложения. Схема выпрямителя не является полуволновым, двухполупериодным или мостовым выпрямителем, а является схемой умножителя напряжения (специального выпрямителя), которая выпрямляет сигнал, а также повышает выпрямленный сигнал в соответствии с требованиями приложения.

Электричество, преобразованное из переменного тока в постоянный с использованием умножителя напряжения, перемещается в схему управления питанием, которая использует конденсатор или батарею для хранения электричества и подает его на нагрузку (приложение), когда это необходимо.

Практические применения сбора радиоэнергии

Некоторые из применений сбора радиоэнергии, использующих описанную выше систему, перечислены далее.

  • Карты RFID: технология RFID (радиочастотная идентификация) использует концепцию сбора энергии, которая заряжает свой «тег», получая ВЧ-сигнал от самого считывателя RFID. Приложение можно увидеть в торговых центрах, метро, на вокзалах, в промышленности, колледжах и во многих других местах.
  • Исследование или оценка: компания Powercast выпустила оценочные платы – P2110B и P1110B, которые могут использоваться для исследовательских целей или для оценки некоторых новых приложений с учетом требуемой и получаемой мощности и изменений, которые должны быть сделаны после оценки.

Помимо этих практических применений, существует множество областей, в которых технология сбора энергии может быть использована, например, в области промышленного мониторинга, сельского хозяйства и т. д.

Ограничения сбора радиоэнергии

С хорошими перспективами и рядом преимуществ также есть некоторые недостатки, и эти недостатки вызваны существующим ограничением в ряде моментов.

  • Зависимость: Единственная зависимость системы сбора энергии РЧ – это качество принимаемых РЧ сигналов. Значение сигнала может быть уменьшено из-за атмосферных изменений или физических препятствий, и это может помешать передаче сигнала, что приводит к снижению мощности в качестве выходного сигнала.
  • КПД: схема состоит из электронных компонентов, которые со временем теряют свою функциональность и дают плохие результаты, если не изменились соответствующим образом. В результате это повлияет на эффективность системы (КПД) в целом и приведет к неправильной работе.
  • Сложность: приемник для системы необходимо проектировать на основе ее приложений и схемы накопления энергии, что делает его более сложным для построения.
  • Частота: любая схема или устройство, предназначенное для приема радиочастотного сигнала для сбора энергии, может быть рассчитано на работу только в одной полосе частот, а не в нескольких. Таким образом, оно ограничено только конкретным полосным спектром.
  • Время зарядки: максимальная выходная мощность от преобразования в милливаттах или микроваттах. Таким образом, требуемая мощность приложения потребует много времени для зарядки.

Помимо этих ограничений, сбор энергии с использованием радиочастот имеет много преимуществ, в результате чего он находит применение в промышленности автоматизации, сельском хозяйстве, Интернете вещей, здравоохранении и т. д.

Использование систем сбора радиоэнергии в экосистеме Интернета вещей

С ростом популярности Интернета вещей (IoT) в области автоматизации электронных устройств разрабатываются приложения IoT для дома и промышленности, которые потенциально могут оставаться включенными в течение многих лет в ожидании полноценного запуска. Благодаря возможности сбора энергии, такие устройства могут буквально извлекать энергию из воздуха, чтобы заряжать свои собственные батареи или собирать достаточно энергии из окружающей среды, так что батарее может даже не потребоваться какой-либо внешний источник питания для зарядки. Такие датчики с автономным питанием в настоящее время обычно называют беспроводными датчиками с нулевым энергопотреблением, поскольку они предоставляют данные датчиков непосредственно в облаке IoT, используя беспроводной шлюз без видимого источника энергии. Собирая энергию из доступных источников РЧ-энергии, новое поколение беспроводных устройств со сверхнизким энергопотреблением может быть разработано для приложений, требующих минимального обслуживания, таких как системы удаленного мониторинга.

Системы сбора энергии выходят на широкую дорогу

Эффективность и другие рабочие характеристики беспроводных датчиков постоянно повышаются, а вопросы обеспечения автономных устройств энергией выходят за рамки узкой ниши и проникают в повседневные приложения.

Энергия – солнечная, тепловая, пьезоэлектрическая или электромагнитная – окружает нас со всех сторон. «Собирая» хотя бы небольшую ее часть, инжиниринговые компании могут расширить внедрение сенсорных технологий, направленных на обеспечение всеобщего блага. Подобные сенсорные приложения включают различные носимые медицинские средства диагностики и наблюдения, авиационные и автомобильные функциональные мониторы, а также технические средства удаленного учета потребленного газа, тепловой и электрической энергии. Возможность извлечения энергии из разнообразных источников позволит улучшить медицинское обслуживание в районах с плохо развитой инфраструктурой, например, в сельской местности. Глобальное развитие данного направления электроники поддерживается все бóльшим числом технических средств – от специализированных интегральных микросхем, до активных и пассивных дискретных компонентов.

Примеры можно найти среди компонентов готовых отладочных модулей «Energy Harvesting Solution To Go» компаний Energy Micro, Linear Technology и Würth Elektronik. Два базовых компонента этих комплектов – плата сбора энергии и стартовый набор Giant Gecko. Оба элемента содержат пассивные компоненты от Würth Elektronik. Например, трансформаторы WE-EHPI, специально разработанные для устройств сбора энергии из окружающей среды, отличаются высокой эффективностью благодаря низкому активному сопротивлению обмоток и сердечнику, разработанному специально для жестких условий эксплуатации. Эффективное подавление электромагнитных помех реализуется с помощью SMD ферритовых фильтров у каждого вывода трансформатора.

Рисунок 1. Многоцелевая плата сбора энергии компании
Linear Technology.

Многоцелевая плата сбора энергии (Рисунок 1) выпускается с четырьмя преобразователями напряжения от Linear Technology, каждый из которых оптимизирован для различных источников энергии. Например, микросхема LTC3588 предназначена для источников переменного тока с напряжением до 20 В, таких как пьезоэлектрические и индуктивные электрогенераторы. В состав стартового набора Giant Gecko Starter Kit (Рисунок 2) входит микроконтроллер (МК) EFM32GG990F1024, в активном режиме потребляющий всего 200 мкA/MГц. Ядро ARM Cortex M3 этого МК работает на частоте до 48 МГц. МК имеет 1024 КБ Flash памяти, 128 КБ RAM, интерфейс USB, контроллер ЖКИ, а также сенсорный интерфейс LESENCE.

Рисунок 2. Стартовый набор EFM32 Giant Gecko Starter Kit.

Если посмотреть на различных подходы, реализованные в средствах извлечения энергии, станет понятно, что данный комплект содержит все необходимое для начала полноценной работы. В случае беспроводных приложений малого радиуса действия, например, в узлах датчиков, получающих энергию от внешних источников, используются дешевые микросхемы, выполняющие функции измерения, обработки сигналов, сбора данных и коммуникаций. Каждый узел таких систем снабжен маломощным беспроводным интерфейсом.

Рисунок 3. Базовая структура автономного беспроводного датчика. Выход первичного датчика, как правило, соединен с МК, который обрабатывает полученную информацию (т.е., данные о температуре, давлении, ускорении и т.д.).

Большинство автономных датчиков имеет структуру, подобную изображенной на Рисунке 3. Функции основных блоков заключаются в следующем:

  • датчик измеряет и собирает любое количество параметров окружающей среды, необходимых в конкретном приложении;
  • преобразователь конвертирует какой-либо вид энергии в электрическую;
  • модуль управления питанием стабилизирует, перенаправляет и запасает полученную энергию;
  • МК обрабатывает полученные от первичных датчиков сигналы и поддерживает связь с другими узлами системы через радиоканал;
  • приемник сигнала пробуждения принимает внешний запрос на вывод датчика из спящего режима.
Читайте также  Технология струйного заряда аккумулятора

Однако ключевой особенностью подобных систем является не просто то, как различные части соединены между собой. Устройства извлечения энергии предъявляют очень серьезные требования к каждому отдельному компоненту, в частности, по потребляемой мощности и эффективности. Так, для того, чтобы продлить срок службы источника энергии, МК и радиомодуль должны работать в режимах с минимальным потреблением всегда, когда это возможно. За последние годы производители МК и радиочастотных микросхем инвестировали большие средства в разработку и производство малопотребляющих приборов, которые могут использоваться в беспроводных сенсорных узлах малого радиуса действия с питанием от извлекаемой энергии. В качестве примера можно привести ВЧ модули и МК, способные работать при напряжении питания 1.8 В, что дает возможность достичь в беспроводном устройстве ультранизкого потребления мощности.

Необходимо также, чтобы микроконтроллер был способен быстро переходить из спящего режима в активный режим. Это уменьшает потребление тока между передачей и приемом информации, а значит, экономит запасы электроэнергии. Ключом к более экономичной архитектуре ВЧ устройств является требование снижения мощности при передаче и приеме пакетов данных. Системы сбора энергии также нуждаются в устойчивых протоколах передачи информации. Минимизация ошибок при пакетном обмене данными снижает время работы устройств в эфире, а значит, снижается ежедневно необходимая «порция» энергии, собранная преобразователем из окружающей среды.

Не меньшее значение имеют и вопросы, связанные со структурой сетей беспроводных датчиков. Например, большинство таких сетей работает в циклическом режиме, что бережет энергию и ограничивает пространство радиочастот, но порождает всплески потребляемого датчиками тока. Низкие уровни пиков потребления радио трансиверов снижают остроту проблемы разработки источников питания автономных датчиков.

Эти ограничения еще важнее для датчиков, питание которых полностью основано на сборе внешней энергии. Часто первичные преобразователи энергии имеют выходное сопротивление намного большее, чем аккумуляторы. Это означает, что микромощный узел управления питанием должен не только управлять распределением энергии между преобразователем и датчиком, но и конвертировать импеданс источника.

Независимо от методов и технологии построения систем сбора энергии, все решения подчинены главной цели – максимальному увеличению экономичности, чтобы передавать информацию как можно чаще. Однако каждая технология сбора имеет достаточно узкие пределы использования. Сегодня наиболее распространенными являются преобразователи солнечной энергии, так как работают с эффективностью от 25% до 50% на см 2 (Таблица 1). Следствием широкого распространения фотогальванических элементов будет постоянное снижение их цены в пересчете на см 2 .

Радиочастотная энергия

Радиочастотная энергия применяется в медицине и косметических технологиях уже на протяжение 100 лет. Использование при проведении многих процедур и в различных приборах показало ее эффективность, безопасность и способность сохранять тойкие результаты после лечения. RF энергия, используемая в медицинских насадках, воздействует на ткани путем применения высокочастотного электрического тока. Это создает термальный эффект в ткани в области приложения RF электродов. При применение тока частотой более 100 килогерц, электрический тока создает только термальный эффект, без воздействия на локальную нервную и мышечную ткань, что позволяет RF энергии стать эффективным инструментом для безопасного лечения тканей. Контролируя плотность RF энергии за счет оптимизации мощность и размеров электродов, лечащие врачи могут нагревать, коагулировать и удалять ткани.

Простота, многосторонность и эффективность применения приборов, использующих RF энергию, таких как электро-хирургических устройств, разработанных в профессором Университета Гарварда Dr Bovie и впервые использованном при операциях Dr Hervey Cushing, сделали RF энергию наиболее популярным методом термального воздействия при различных медицинских манипуляциях. Наибольшим преимуществом RF энергии по сравнению с лазерной, криотерапией и другими метолами лечения является ее способность простого и надежного мониторинга электрических параметров ткани путем прямых измерений ее сопротивления. Лечащие врачи могут подбирать мощность согласно локальной необходимости ткани, к которой применяется лечение.

Разработано большое количество рукояток, которые позволяют подобрать оптимальное значение RF энергии согласно требованиям. Монополярная RF энергия наиболее часто применяется для отделения ткани (разреза), где RF энергия сфокусирована около наконечника малого электрода, что приводит эффекту к отделения ткани, в то время как второй электрод с большой площадью используется для прекращения циклической подачи тока. Биполярны приборы в основном используются для коагуляции кровеносных сосудов и тканей, термальная энергия локализована между двумя электродами, расположенными в области лечения.

Основным преимуществом неинвазивного лечения является его простота, безопасность и короткий период восстановления после процедуры. Показано исползование термальной монополярной RF энергии.

В настоящее время доступно множество разнообразных приборов, использующих RF энергию, и в данный момент типично использлвать при лечение электрохирургические RF приборы в пластической и дерматологической хирургии для таких цедей, как отрезание ткани кожи, и коагуляция кровеносных сосудов. Одновременное отделение (отрезание) ткани и коагуляция кровеносных сосудов делает эти устройство чрезвычайно эффективными для применения при подтяжки кожи лица, блефаропластики, абдоминопластики и других случаев, при которых показано оперативное лечение. В последнее десятилетие RF энергия стала также применяться при нехирургическом косметическом лечение как сама по себе, так и в комбинации с лазерной энергией или импульсным световым излучением. Лидирующими компаниями, применяющей при изготовление своих устройств RF энергию на рынке эстетической медицины, являются Solta Medical Inc (формально Thermage Inc) и Syneron Medical Ltd. Основным преимуществом RF энергии перед лазерной энергией является неограниченная глубина проникновения. Лазерное излучение может проникать только на глубину в несколько миллиметров, требует наличия специфических хромофор мишени для ее поглощения, а также обычно ее воздействие зависит от типа кожи.

В отличие от лазерной энергии, RF энергия эффективно проникает в подкожные слои. RF энергия не специфична в отношение хроматофор, а также в отношение типа кожи. Эти уникальные характеристики делают RF энергию эффективной для подтяжки кожи, оформления контуров тела и лечения подкожного жира, что является наиболее востребованными сегментами эстетической индустрии, даже не смотря на последние колебания экономики

Использование хирургического RF устройства про абдоминопластике. Синхронное нанесение разреза на кожу и коагуляция кровеносных сосудов делает устройство эффективным для применения при подтяжки кожи лица, блефаропластике, абдоминопластике и других хирургических методах лечения.

Монополярные и биполярные конфигурации насадок и рукояток используются как при неинвазивных процедурах, так и при электрохирургическом лечение. Неаблятичные косметические процедуры обычно основаны на ремодуляции коллагеновых волокон и базового вещества, тогда как нагревание адипоцитов до субнекротического уровня позволяет контурировать жировую ткань. Большая поверхность электродов позволяет однообразно испускать энергию на большой площади лечения.

Основным преимуществом неинвазивного лечения является его простота, безопасность и минимальный период восстановления после процедуры – что обычно делает их доступными за короткий период времени (так называемее lunch-time процедуры – лечение, которое можно выполнить в обеденный перерыв). Несмотря на это, неинвазивное лечение с применением RF энергии или терапия с применением лазерной энергии требует многократного повторения процедур, что демонстрирует снижение длительности эффекта и его постоянства в отличие от инвазивного лечения.

В то время, как некоторые пациенты отмечают хорошие результаты после проведения серии неинвазивных процедур, основная масса людей будет говорить о неоправданных ожиданиях при их применении. Это приобретенное ограничение неинвазивного подхода основано на концепции, что RF энергия испускается в подкожные слои через кожу, затрагивает субдермальный слой без повреждения эпидермиса.

Самая последняя сфера применения RF энергии в эстетической медицины – это радиочастотно- ассоциированная липосакция (RFAL), которая совмещает преимущества как электрохирургического лечения, так и неинвазивных технологий, комбинируя агрессивную внутреннюю коагуляцию адипоцитов, кровеносных сосудов и фиброзной ткани, с бережный, однородным и безопасным нагреванием поверхностных слоев кожи. Разработанная компанией Invasix, система BodyTite, применяющая технологию RFAL заслужила одобрение и популярность среди пластических хирургов, предлагая новый подход в эстетической медицине. Первое использование технологий RFAL ставило задачей улучшить контуры тела и проявления целлюлита, однако при их применение существует хороший потенциал применения минимально инвазивного RF лечения для подтяжки кожи лица, блефаропластики и подтяжки дряблой кожи в таких областях, как коленки и плечи.

RF энергия остается наиболее популярным применением энергии в эстетической медицине, и в настоящее время мы наблюдаем ренессанс (расцвет) применения RF при проведение минимально инвазивного лечения, направленного на удовлетворения потребностей потребителей получить удивительные и стойкие результаты с минимальным риском и периодом восстановления после процедуры.

Мы использует RF энергию при минимально инвазивном эстетическом лечение, что позволяет лечащим врачам разработать адекватное лечение для более тяжелых пациентов, стареющих пациентов и тех пациентов, кожа которых потеряла эластичность. Таким образом, уникальное применение RF энергии, включающее неограниченную глубину проникновения, тщательный контроль параметров и многообразие конфигураций электродов, делает ее применение наиболее важным для профессионалов в области эстетической медицины.

Читайте также  Жучок своими руками

Dr Stephen Mulholland, пластический хирург-консультант, директор клиники Spa Medica Infinite Vitality Toronto,Canada

Получение энергии от источников радиоволн

Электронные устройства постепенно внедряются в повседневную жизнь, и, конечно, им всем требуется энергия в той или иной форме для работы. К счастью, энергия окружает нас во многих формах. Энергия может быть преобразована из ветра, света, движущихся объектов, даже используя оставшуюся энергию высокочастотных радиопередач. Поскольку мир становится все более электронным по своей природе, становится все более целесообразным повторно использовать энергию, когда она доступна, например, в радиочастотных / микроволновых сигналах, для установления более эффективного общего использования энергии.

Сбор энергии, вероятно, наиболее известен в приложениях, которые используют солнечный свет в качестве источника энергии. Специально для устройств, которые требуют лишь небольшого количества энергии для работы, солнечный свет может быть преобразован в достаточное для работы постоянное напряжения с помощью относительно небольших солнечных батарей.

В малонаселенных районах часто можно увидеть, что крыши некоторых домов покрыты солнечными батареями, мощности которых вполне хватает, чтобы обеспечить дом электроэнергией, в некоторых случаях и продавать ее энергокомпаниям. Точно так же в областях, где открытые равнины обеспечивают воздействие относительно сильных ветров, например на Среднем Западе Соединенных Штатов, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть ветряные турбины, которые могут превращать ветер в «почти бесплатные» источники электрической энергии.

На сегодняшний день солнечный свет, скорее всего, является наиболее популярным источником альтернативной энергии, который можно преобразовать в постоянное напряжение. Компании, такие как Analog Devices, Silicon Laboratories и Texas Instruments, предлагают обширные линейки беспроводных приемопередатчиков, генераторов и других высокочастотных компонентов для солнечных батарей. Кроме того, EnOcean разработала серию переключателей с автономным питанием, которые питаются от солнечных источников, а также многих микросхем, которые используют беспроводную связь на частотах ISM для выполнения управляющих функций в солнечной энергетике. Самым последним «поступлением» является датчик присутствия солнечной энергии для систем управления освещением Bluetooth, использующий Bluetooth Low Energy (BLE) для упрощения автоматизации зданий.

Не столь широко распространенным, но быстро растущим по популярности, является процесс сбора энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов, таких как радио- / телевизионные радиостанции и беспроводное оборудование. Сбор энергии таким способом позволяет заменить батареи в приложениях с низким энергопотреблением, таких как датчики систем интернет вещей (IoT) и метки радиочастотной идентификации (RFID). Повторное использование энергии может сократить эксплуатационные расходы и повысить эффективность существующих электронных систем и устройств.

Сбор энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов является четким процессом. Это может быть выполнено с помощью интегральных схем (ИС), содержащих основные компоненты, такие как радиоприемники и повышающие преобразователи, которые преобразуют энергию РЧ-сигнала от антенны в переменное или постоянное напряжение, а затем передают энергию на устройство хранения энергии, такое как аккумуляторная батарея или конденсатор. Простые конструкции антенны Vivaldi продемонстрировали отличные возможности в обеспечении сверхширокополосного (UWB) частотного покрытия (например, от 100 МГц до 6 ГГц) для поддержки многих радиочастотных ИС, собирающих энергию.

Преобразование энергии радиочастот

Коммерческие радиочастотные приемники энергии, такие как P210B Powerharvester от Powercast Corp., обеспечивают возможность преобразования РЧ-сигналов в постоянное напряжение. Это приемник, предназначенный для использования в нижней части промышленной, научной и медицинской (ISM) полосы (от 902 до 928 МГц).

С помощью антенны P2110B может обрабатывать входные радиочастотные уровни от -12 до +10 дБм, преобразовывать их в напряжение постоянного тока и сохранять энергию в конденсаторе для использования по мере необходимости. Низкая чувствительность позволяет эффективно собирать энергию даже на значительных расстояниях от источника радиочастот. Компактное устройство является примером доступной в настоящее время технологии сбора энергии радиочастот, которая позволяет управлять питанием небольших электронных устройств без батареи.

P2110B использует свой внутренний конденсатор как часть собственного контролируемого процесса преобразования энергии. Регулируемые уровни напряжения от сборщика энергии могут быть установлены от +2,0 В до +5,5 В постоянного тока при максимальном токе 50 мА. Выходное напряжение микросхемы отдает запасенную энергию, когда на конденсаторе достигнут высокий порог заряда. Когда энергия, запасенная в конденсаторе, падает до порога низкого напряжения, выходное напряжение от P2110B отключается. Как предполагает производитель, микропроцессор может использоваться со сборщиком энергии для оптимизации энергопотребления и повышения производительности подключенных электронных устройств, таких как датчики.

Учитывая ожидаемый быстрый рост беспроводных датчиков IoT и потребность в удаленных беспроводных датчиках в сотовых сетях 5G, сбор энергии, несомненно, будет принимать различные формы, в том числе от фотоэлектрических и термоэлектрических источников. Одним из таких примеров является ИС для сбора энергии из фотоэлектрических источников. AEM10940 от e-peas semiconductors, разработанная для использования с солнечными батареями, может подавать два независимых регулируемых напряжения, чтобы продлить срок службы батареи или даже устранить потребность в батарее в электронной системе управления стабилизацией точки максимальной мощности.

Совсем недавно эта же фирма разработала пару полупроводниковых устройств, модели AEM30940 и AEM40940, для извлечения энергии из радиочастотных источников. Оба оснащены встроенными повышающими преобразователями, которые заряжают батареи и конденсаторы и предназначены для извлечения энергии из сигналов ISM-диапазона с низким энергопотреблением. AEM30940 может работать с низкими уровнями входного радиосигнала: –18,2 дБм с 863 до 868 МГц и с 915 до 921 МГц, –14 дБм с 2110 до 2170 МГц и –9,5 дБм с 2,4 до 2,5 ГГц. Устройство поверхностного монтажа, имеет конфигурационные контакты для упрощения реализации различных режимов работы, а также корпусные контакты низкого и высокого напряжения для подачи полного диапазона напряжений от 50 мВ до 5 В.

AEM40940 извлекает мощность переменного тока из источников радиочастотного сигнала, создавая два независимо регулируемых выходных напряжения. Он включает в себя выпрямитель с низким энергопотреблением и повышающий преобразователь в пластиковом четырехплоскостном корпусе размером всего 5 × 5 мм. Он может использоваться на частотах ISM 868 МГц, 915 МГц и 2,45 ГГц и при уровнях входной мощности от -20 до +10 дБм. Радиочастотный сборщик энергии (или харвестер) обладает относительно высокой общей эффективностью (измеряемой от входного порта до выходного сигнала повышающего преобразователя) — обычно выше 20% для уровней входной мощности от -20 до 0 дБм на частотах 868 и 915 МГц и, как правило, выше 10% для входа на уровне мощности от -10 до +5 дБм при 2,45 ГГц.

Устройства сбора энергии в настоящее время доступны для многих различных источников энергии, включая солнечный свет, ветер, движение, температуру, даже для захвата электромагнитных волн от тепла тела пользователя. Возможности варьируются для каждого подхода к сбору, при этом солнечная энергия остается самой популярной и эффективной формой сбора энергии уже в окружающей среде. Но с распространением в мире устройств беспроводной связи и увеличением энергии радиочастотного / сверхширокополосного сигнала в большинстве населенных пунктов расширяются возможности использования технологии сбора энергии РЧ в качестве питания электронных устройств с низким энергопотреблением, таких как миллиарды датчиков IoT. Ожидается, что волна сборщиков энергии радиочастот покроет планету в ближайшие годы.

Радиочастотная (РЧ) энергия

18 декабря, 2017 Кардиология Нет комментариев

Радиочастотная (РЧ) энергия имеет широкий диапазон и зависит от сопротивления и диэлектрических свойств тканей. Радиочастотный ток – это ток с меняющейся полярностью при частоте от 30 кГц до 300 МГц. Все генераторы РЧ тока, используемые для аблации, работают в диапазоне 300 кГц — 1 МГц. Для аблации структур сердца применяют немодулированный ток, поскольку именно он приводит к образованию коагуляционного некроза.
Существует два варианта подачи электрической энергии: монополярный и биполярный. При монополярной аблации переменный ток проходит между дистальным концом «активного» электрода через ткани к «пассивному» электроду на поверхности грудной стенки. Обычно «пассивным» или референтным электродом служит пластина. Эксперименты показали, что позиция пластины незначительно влияет на размер воздействия, в то время как увеличение ее площади ведет к отклонению импеданса и приводит к увеличению энергии и перегреву электрода. В случае биполярной коагуляции ток проходит между двумя активными электродами в полостях сердца.

Ведущим механизмом коагуляции тканей под воздействие радиочастотного тока является превращение электрической энергии в тепловую. Если плотность тока высокая, а электропроводность низка, то это приводит к возбуждению ионов, которые начинают следовать изменениям направления переменного тока. Оба этих фактора имеют место в ткани окружающей «активный» электрод. Это возбуждение ионов ведет к образованию фрикционной теплоты так, что ткань прилегающая к электроду, а не сам электрод, является главным источником теплоты. Повышение температуры в миокардиальной ткани приводит к некоторым электрофизиологическим эффектам. На изолированных папиллярных мышцах свиных сердец было отмечено, что при температуре ткани 38-45°С в течение 1 минуты происходит повышение функции K-Na каналов клеток вплоть до критического уровня. Нагревание до 45-50°С ведет за собой инактивацию этих структур. Анормальный автоматизм клеток отмечен при повышение температуры свыше 45°С, повышенная возбудимость свыше 50°С. Биологическая смерть клеток зависит от двух факторов – времени воздействия и температуры. Обратимые клеточные изменения происходят при длительном нагревании даже при температуре ниже 45°С, в то время, как необратимая смерть клеток вероятно происходит между 52°С и 55°С. Денатурация внутреннего слоя протеинов мембран клеток играющего важнейшую роль в транспортных обменных процессах является важнейшим механизмом терминальной клеточной смерти. При температуре выше 100°С происходит испарение клеточной жидкости и повреждение клеточной мембраны миоцита, саркоплазматического ретикулума и митохондрий. Если температура превышает 140°С, может произойти карбонизация ткани. В этой связи с целью обеспечения более мягкой коагуляции тканей следует поддерживать температуру тканей на уровне ниже 100°С. Температуру ткани, находящейся в контакте с электродом, можно контролировать специальным катетером для аблации со встроенными в конец катетера термисторами или термопарами. Непосредственно разогревания электрода электрическим током не происходит вследствие его хорошей электропроводности.

Читайте также  Автоматический блок управления электрокоптильней

Прогрессивное воздействие достигается благодаря созданным устройствам контроля температуры высокочастотной энергии (Haverkampf et al. 1991). Контроль температуры означает, что температура на конце катетера не только изменяется в течение процесса коагуляции, но и поддерживается на определенном уровне благодаря механизму обратной связи для подаваемой мощности. Такое устройство позволяет создавать ограниченное поражение с предсказуемой степенью in vitro и обеспечивает хороший контакт между электродом, вызывающим аблацию, и миокардом. Мониторинг температуры становится практически сложным при увеличении размера электрода или его геометрии. Так, например, для линейной аблации ФП и ТП используются удлиненные электроды, имеющие одну термопару, таким образом невозможно предсказать какой стороной происходит контакт поверхности электрода с эндокардом и температура краевой повехности может оказаться намного выше, чем тела электрода, где расположен термодатчик. Таким образом, температура в серединной точке остается недооцененной.

В некоторых экспериментальных исследованиях продемонстрирован трехмерный окончательный элементарный анализ влияния геометрии электрода, угла наклона контакта электрод-ткань и циркуляции окружающей крови на размер аблационного повреждения.

Длительность радиочастотной аблации так же является важным критерием, влияющим на трансмуральность воздействия. Наибольшее увеличение размера повреждения происходит в течение первых 30 секунд аблации, а затем наступает плато.
Некоторое усовершенствование аблации было достигнуто в результате использования электрода с охлаждением наконечника инфузией физиологического раствора. Такая конструкция позволяет использовать высокие цифры энергии воздействия, увеличивая размер повреждения, но избегая при этом высоких цифр импеданса. Эта концепция была подтверждена в экспериментах in vivo и in vitro. Охлаждение в течение аблации приводит к повышению температуры глубже поверхности эндокарда. Максимальная температура регистрируется на глубине 1 мм и более от поверхности эндокарда, таким образом даже выше, чем в области контакта электрода с поверхностью эндокарда. Катетеры для холодовой аблации могут быть закрытого типа, когда охлаждающий раствор циркулирует внутри системы и открытого типа, имеющие маленькие дырочки через которые происходит орошение электрода и жидкость вытекает наружу.

Таким образом, радиочастотная аблация является безопасной и эффективной методикой. В ходе проведения экспериментальных исследований не отмечено возникновения таких серьезных осложнений, как аритмии, расстройства гемодинамики, ишемия, тромбоз или эмболия. Наибольшую опасность представляет собой перегревание и последующее повреждение аблационного катетера и выпаривание ткани. С целью ограничения риска этих осложнений многие исследователи считают необходимым проводить измерение биофизических параметров (сила тока, напряжение, температура) на конце катетера.

Ректенна – беспроводная система сбора и преобразования электромагнитной энергии

Главная страница » Ректенна – беспроводная система сбора и преобразования электромагнитной энергии

Развитие технологии беспроводных систем и потребности в маломощных интегральных электронных схемах, сопровождаются тенденцией к изучению новых возможностей питания таких схем. В частности, рассматриваются возможности питания за счёт сбора свободной энергии из окружающего электромагнитного пространства или от специального источника радиочастоты. Большое внимание сейчас уделяется технологиям сбора и беспроводной передачи энергии как экологически чистым и возобновляемым энергетическим источникам. Одной из технологий здесь рассматривается система ректенна (Rectenna) — выпрямляющая антенна.

Система ректенна – обзор возможных схемных решений

Ректенна вполне допускает как устройство использование, к примеру, для беспроводной зарядки аккумуляторов нескольких сенсорных сетей «Интернета вещей» (IoT). Такие устройства обычно используются:

  • в составе «умного» дома,
  • в конструкциях имплантированных медицинских устройств,
  • в приложениях автомобильного назначения и т.д.

Ректенна применяется для преобразования радиочастотной энергии в полезную электрическую энергию постоянного тока. Соответственно, конструкция в основном представляет комбинацию приёмной антенны и электронной схемы выпрямителя (детектора).

Структурная схема сбора/преобразования энергии: А — антенная часть схемы, функционально собирающая; R — часть ректификатора (выпрямителя)

Рассмотрим несколько конструкций одно- и многополосных ректенн, обладающих различными техническими характеристиками, как инструмент сбора и преобразования энергии. Одно- и многополосные антенны, а также схемы выпрямителя, дополненные согласующими цепями, представлены как законченные действующие модели полноценных схем выпрямителей.

Беспроводная передача энергии тремя категориями

Беспроводную передачу энергии – БПЭ или WPT (Wireless Power Transmission) условно можно разделить на три разные категории:

  1. Индуктивная или резонансная связь в ближнем поле,
  2. Директивное (направленное) питание в дальней зоне.
  3. Сбор энергии окружающей среды в дальней зоне.

Для первой категории действие обычно происходит между двумя катушками, одна из которых выступает первичной, другая — вторичной. Основная цель системы — передача мощности от первичной обмотки вторичной обмотке, удалённых одна от другой (обычно не более, чем на несколько сантиметров).

Для этого типа беспроводной передачи энергии предлагается множество различных конструкций на основе так называемых дефектных наземных структур – ДНС или DGS (Defected Ground Structure). Главная цель — получение высокоэффективной связанной системы.

Вторая категория БПЭ — это директивное питание в дальней зоне, используемое с директивной передачей мощности. То есть передача происходит в дальней зоне, но с чётко определённым направлением источника. Этот вид беспроводной передачи энергии полезен для применений в качестве спутниковой солнечной энергии (SPS).

Или же допустим вариант с преднамеренным питанием, таким как использование выделенного источника, с хорошо известным направлением для питания сети беспроводных датчиков. Каждый датчик имеет встроенную ректенну, выступающую источником питания возобновляемой энергией этого подключенного датчика.

Третья категория БПЭ — сбор энергии в дальней зоне. При этом направление принимаемой мощности остаётся неизвестным. Таким образом, одна из основных целей разработки устройств этой категории беспроводной передачи энергии — увеличение вероятности приёма мощности. Делается это путём разработки антенн, обладающих широкой шириной луча и множественными (широкополосными) резонансными частотами.

Ректенна: плюсы и минусы каждой категории

Беспроводная передача энергии ближним полем предлагает решение для питания электронных устройств на малых расстояниях. Эта технология становится широко распространяемой в коммерческом секторе для использования в нескольких беспроводных решениях.

Передача ближним полем также рассматривается полезной технологией для беспроводных медицинских имплантируемых устройств. Тем не менее, БПЭ ближнего поля имеет серьёзную проблему в отношении дальности передачи энергии. Здесь охватываются только очень короткие расстояния (буквально — несколько сантиметров).

С другой стороны, схема питания выделенного источника в дальней зоне или метод свободного внешнего питания способны решить эту проблему по причине возможности зарядки на большом расстоянии.

Научным сообществом представлен ряд исследований, касающихся сбора беспроводной энергии. Несмотря на то, что большое внимание уделяется беспроводному сбору энергии, существует масса препятствий на пути к сбору энергии из безвозмездных (бесплатных) источников.

Одна из главных проблем — низкие уровни входной мощности окружающей энергии. Поэтому большое число исследовательских работ посвящено именно ректеннам под низкие уровни входной мощности.

Между тем, однополосные ректенны имеют простую структуру. Многими исследователями изучались многополосные ректенны в качестве пробного увеличения принимаемой мощности сглаживания с помощью того же самого устройства ректенна.

Ректенна низкой входной принимаемой мощности

Одна из маломощных ректенн — компактная двухдиапазонная конструкция, показана на картинке ниже. Ректенна имеет эффективность преобразования 37% и 30% на частотах 915 МГц и 2,45 ГГц, соответственно. Достижим такой результат при входной мощности 9 дБм/Вт и резистивной нагрузке 2,2 кОм.

Конструкция маломощная ректенна, изготовленная на основе текстолитовой пластины двустороннего покрытия медной фольгой

Двухдиапазонная ректенна с использованием антенны Yagi для применений с низкой входной мощностью, показана на следующей картинке. Конструкция предлагает приемлемые значения для эффективности преобразования, уровень которой достигает до 34% на частоте 1,84 ГГц и 30% на частоте 2,14 ГГц для уровня входной мощности 20 дБм/Вт.

Конструкция ректенна на основе квази-Yagi подмассивов: слева верхняя сторона; справа – нижняя сторона

Комбинацию сбора солнечной и радиочастотной энергии представляет очередная конструкция, так называемая «солнечная» ректенна. Система такого типа обеспечивает эффективность преобразования RF-DC 15% при входной мощности 20 дБм/Вт на частотах 850 МГц и 2,45 ГГц, соответственно. Используется КМОП-выпрямитель длиной волны 130 нм для сверхнизкой входной мощности.

Конструкционная схематика под изготовление системы — гибридная ректенна на сбор энергии от солнца и (или) от электромагнитного излучения комбинированно

В целом разработано и применяется на практике достаточно большое конструкционное разнообразие подобных систем. При желании всегда есть возможность подобрать схему ректенны для требуемой мощности и под конкретное применение. Здесь отмечены лишь основы технологии и небольшое число примеров чисто для поверхностного знакомства.

При помощи информации: IntechOpen

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .