HF-Energiegewinnung

Es gibt viele drahtlose Geräte auf der ganzen Welt, die das Leben der Menschen in vielerlei Hinsicht einfach und komfortabel machen, aber all diese drahtlosen Geräte müssen immer wieder aufgeladen werden, um sie zu verwenden. Was aber, wenn wir dieselbe Funkfrequenz verwenden können, die Daten überträgt, um die Geräte aufzuladen. Diese Technologie würde die Verwendung von Batterien zur Stromversorgung des Stromkreises im Gerät reduzieren oder weglassen. Die Idee ist, mithilfe der Antennen Energie aus der Hochfrequenz zu gewinnen, anstatt Energie aus Bewegung oder Sonnenenergie zu erzeugen. In diesem Artikel wird RF Energy Harvesting ausführlich beschrieben.

Wie funktioniert RF Energy Harvesting?

Es gibt viele HF-Quellen, aber das Wichtigste, was Sie zuerst verstehen müssen, ist: Wie wandelt man HF in Energie oder Elektrizität um ? Der Vorgang ist recht einfach und entspricht dem normalen Vorgang, bei dem eine Antenne ein Signal empfängt. Lassen Sie uns den Konvertierungsprozess anhand eines einfachen Diagramms verstehen.

Die Quelle (kann ein beliebiges Gerät oder eine elektronische Schaltung sein, die / die HF-Signale sendet) und die Anwendungsschaltung, die eine eingebaute Schaltung zur Energieumwandlung aufweist, empfängt die HF, die dann eine Potentialdifferenz über die Länge der Antenne verursacht und eine Bewegung von erzeugt Ladungsträger durch die Antenne. Die Ladungsträger bewegen sich zur HF / DC-Wandlungsschaltung, dh die Ladung wird nun unter Verwendung der Schaltung, die vorübergehend im Kondensator gespeichert ist, in Gleichstrom umgewandelt. Dann wird unter Verwendung der Leistungskonditionierungsschaltung die Energie verstärkt oder in den von der Last gewünschten Potentialwert umgewandelt.

Es gibt viele Quellen, die HF-Signale wie Satellitenstationen, Radiosender und drahtloses Internet übertragen. Jede Anwendung, an die eine HF-Energiegewinnungsschaltung angeschlossen ist, würde das Signal empfangen und in Elektrizität umwandeln.

Der Umwandlungsprozess beginnt, wenn die Empfangsantenne das Signal empfängt und eine Potentialdifferenz über die Länge der Antenne verursacht, die eine weitere Bewegung in den Ladungsträgern der Antenne bewirkt. Diese Ladungsträger von der Antenne bewegen sich zu der Impedanzanpassungsschaltung, die über die Drähte verbunden ist. Das Impedanzanpassungsnetzwerk (IMN) stellt sicher, dass die Leistungsübertragung von der Antenne (HF-Quelle) zum Gleichrichter / Spannungsvervielfacher (Last) maximal ist. Die Impedanz in einem HF-Stromkreis ist ebenso wichtig wie der Widerstand im Gleichstromkreis für eine optimale Leistungsübertragung zwischen der Quelle und der Last.

Das an der Antenne empfangene HF-Signal hat eine sinusförmige Wellenform, dh es ist ein Wechselstromsignal und muss in ein Gleichstromsignal umgewandelt werden. Nach dem Durchlaufen des IMN korrigiert und verstärkt der Gleichrichter oder die Spannungsvervielfacherschaltung das Signal gemäß den Anwendungsanforderungen. Die Gleichrichterschaltung ist keine Halbwellen-, Vollwellen- oder Brückengleichrichterschaltung, sondern eine Spannungsvervielfacherschaltung (ein spezieller Gleichrichter), die das Signal gleichrichtet und das gleichgerichtete Signal je nach Anwendungsanforderung verstärkt.

Der Strom, der mithilfe eines Spannungsvervielfachers von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird, gelangt in die Energieverwaltungsschaltung, in der der Strom mithilfe eines Kondensators oder einer Batterie gespeichert und bei Bedarf der Last (Anwendung) zugeführt wird.

Was sind die s

Wie bereits erwähnt, gibt es viele Geräte, die HF-Signale verwenden. Dies bedeutet, dass es viele Quellen zum Empfangen des HF-Signals zum Ernten der Energie gibt.

HF-Quellen, die als Energiequelle verwendet werden können, sind:

Radiosender: Alt, aber würdig, senden die Radiosender regelmäßig HF-Signale aus, die als Energiequelle genutzt werden können.
Fernsehsender: Auch dies ist eine alte, aber würdige Quelle, die rund um die Uhr Signale sendet und als gute Energiequelle gilt.
Mobiltelefone und Basisstationen : Milliarden von Mobiltelefonen und ihre Basisstationen senden HF-Signale aus, die eine gute Energiequelle darstellen.
Drahtlose Netzwerke: Es gibt überall eine Reihe von WLAN-Routern und drahtlosen Geräten, die auch als gute Quelle für die Energiegewinnung aus der Funkfrequenz angesehen werden sollten.

Dies sind die wichtigsten Geräte auf der ganzen Welt, die die Hauptquellen für HF sind, die zur Energiegewinnung, dh zur Erzeugung elektrischer Energie, verwendet werden können.

Praktische Anwendungen der Radio Energy Harvesting

Einige der Anwendungen von Energy Harvester mit HF- System sind nachstehend aufgeführt:

RFID-Karten: Die RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) verwendet das Konzept der Energiegewinnung, bei der das „Tag“ aufgeladen wird, indem das HF-Signal vom RFID-Lesegerät selbst empfangen wird. Die Anwendung kann in Einkaufszentren, Metros, Bahnhöfen, Industrien, Hochschulen und vielen anderen Orten gesehen werden.
Forschung oder Bewertung: Das Unternehmen Powercast hat ein Bewertungsgremium gestartet - das „P2110 Eval Board“, das zu Forschungszwecken oder zur Bewertung einiger neuer Anwendungen verwendet werden kann, wobei die erforderliche und erhaltene Leistung sowie Änderungen nach der Bewertung berücksichtigt werden.

Abgesehen von diesen praktischen Anwendungen gibt es viele Bereiche, in denen die Energy Harvesting-Technologie eingesetzt werden kann, z. B. in der industriellen Überwachung, in der Landwirtschaft usw.

Einschränkungen der HF-Energiegewinnung

Bei guten Anwendungen und einer Reihe von Vorteilen gibt es auch einige Nachteile, und diese Nachteile werden aufgrund der bestehenden Einschränkung in dieser Sache verursacht.

Die Einschränkungen für das RF Energy Harvesting System sind also:

Abhängigkeit: Die einzige Abhängigkeit des HF-Energiegewinnungssystems ist die Qualität der empfangenen HF-Signale. Der HF-Wert kann aufgrund von atmosphärischen Änderungen oder physikalischen Hindernissen verringert werden und der Übertragung des HF-Signals widerstehen, was zu einer geringen Leistung als Ausgang führt.
Effizienz: Da die Schaltung aus elektronischen Bauteilen besteht, die mit der Zeit ihre Funktionalität verlieren und schlechte Ergebnisse liefern, wenn sie nicht entsprechend geändert werden. Infolgedessen würde dies die Systemeffizienz insgesamt beeinträchtigen und im Gegenzug eine falsche Ausgabe liefern.
Komplexität: Der Empfänger für das System muss basierend auf seinen Anwendungen und der Stromspeicherschaltung entworfen werden, was den Aufbau komplexer macht.
Frequenz: Jede Schaltung oder Vorrichtung, die zum Empfangen eines HF-Signals zur Energiegewinnung ausgelegt ist, kann so ausgelegt werden, dass nur ein Frequenzband und nicht mehrere betrieben werden. Es ist also nur auf dieses Bandspektrum beschränkt.
Ladezeit: Die maximale Leistung der Konvertierung wird in Milliwatt oder Mikrowatt angegeben. Die von der Anwendung benötigte Leistung würde also viel Zeit in Anspruch nehmen.

Abgesehen von diesen Einschränkungen bietet Energy Harvesting mit Hochfrequenz (RF) viele Vorteile, wodurch es in der Automatisierungsindustrie, Landwirtschaft, IOT, Gesundheitsindustrie usw. Anwendung findet.

RF Energy Harvesting Hardware auf dem Markt erhältlich

Die auf dem Markt erhältliche Hardware, die das Hochfrequenzenergie-Ernten unterstützt, ist:

Powercast P2110B: Das Unternehmen Powercast hat P2110B auf den Markt gebracht, das sowohl zur Evaluierung als auch zur anwendungsbasierten Verwendung verwendet werden kann.

Anwendungen:
- Batteriefreie Funksensoren
  - Industrielle Überwachung
  - Smart Grid
  - Verteidigung
  - Gebäudeautomation
  - Ölbenzin
- Aufladen der Batterie
  - Münzzellen
  - Dünnschichtzellen
- Elektronik mit geringem Stromverbrauch

Eigenschaften:
- Hohe Umwandlungseffizienz
- Konvertiert Low-Level-HF-Signale für Anwendungen mit großer Reichweite
- Geregelter Spannungsausgang bis 5.
- Bis zu 50mA Ausgangsstrom
- Anzeige der empfangenen Signalstärke
- Breiter HF-Betriebsbereich
- Betrieb bis zu -12 dBm Eingang
- Extern rücksetzbar für die Mikroprozessorsteuerung
- Industrieller Temperaturbereich
- RoHS-konform

Powercast P1110B: Ähnlich wie der P2110B verfügt der Powercast P1110B über die folgenden Funktionen und Anwendungen.

Eigenschaften:
- Hohe Umwandlungseffizienz> 70%
- Energieeffizient
- Konfigurierbarer Spannungsausgang zur Unterstützung des Aufladens von Li-Ionen- und Alkalibatterien
- Betrieb von 0 V zur Unterstützung des Kondensatorladens
- Anzeige der empfangenen Signalstärke
- Breiter Bedienbereich
- Betrieb bis zu -5 dBm Eingangsleistung
- Industrieller Temperaturbereich
- RoHS-konform

Anwendungen:
- Drahtlose Sensoren
  - Industrielle Überwachung
  - Smart Grid
  - Strukturelle Gesundheitsüberwachung
  - Verteidigung
  - Gebäudeautomation
  - Landwirtschaft
  - Ölbenzin
  - Standortbezogene Dienste
- Drahtloser Auslöser
- Elektronik mit geringem Stromverbrauch.

Dies sind die beiden auf dem Markt erhältlichen HF-basierten Energiegewinnungsgeräte, die von der Firma Powercast entwickelt wurden.

Einsatz von RF Energy Harvesting in IOT-Anwendungen

Mit der wachsenden Popularität des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) bei der Automatisierung elektronischer Geräte werden IoT-Anwendungen für Privathaushalte und Industrien entwickelt, die möglicherweise jahrelang mit Strom versorgt werden könnten, bis sie ausgelöst werden. Mit der Fähigkeit zur Energiegewinnung können solche Geräte buchstäblich Energie aus der Luft ziehen, um ihre eigenen Batterien aufzuladen, oder genug Energie aus der Umgebung gewinnen, so dass eine Batterie möglicherweise nicht einmal eine externe Stromquelle zum Laden benötigt. Solche Sensoren mit eigener Stromversorgung werden heute typischerweise als " Nullleistung" bezeichnet.Drahtlose Sensoren für ihre Fähigkeit, Sensordaten direkt in einer IoT-Cloud bereitzustellen, wobei ein drahtloses Gateway ohne erkennbare Energiequelle verwendet wird. Durch die Gewinnung von Strom aus verfügbaren HF-Energiequellen kann eine neue Generation von drahtlosen Geräten mit extrem geringem Stromverbrauch (ULP) wie IoT-Sensoren für wartungsarme Anwendungen wie die Fernüberwachung entwickelt werden.

Energy Harvesting wird als „Begleiter“ -Technologie für die drahtlose Kommunikation angesehen, da es eine längere Akkulaufzeit für mobile Geräte und möglicherweise einen batterielosen Betrieb für einige elektronische Geräte ermöglichen kann.