برداشت انرژی فرکانس رادیویی

برداشت انرژی با فرکانس رادیویی یک موضوع تحقیقاتی با علاقه فزاینده مرتبط با پایداری است که می تواند جایگزینی امیدوار کننده برای منابع انرژی موجود باشد برداشت انرژی با فرکانس رادیویی آینده ای نویدبخش برای تولید مقدار کمی نیروی الکتریکی برای راه اندازی مدارهای جزئی در دستگاه های الکترونیکی دارای ارتباط بیسیم دارد این مقاله تمام فعالیتهایی را که برای طراحی یک سیستم باند پهن برای بازیابی انرژی باند پهن از منابع الکترومغناطیسی موجود در محیط انجام میشود، نشان میدهد.

ایده اصلی توسعه حسگرهای بیسیم بدون باتری است که بتوانند انرژی موجود را در پهنای باند ذکر شده جذب کنند انرژی امواج رادیویی مورد استفاده توسط دستگاهها را می توان برداشت کرد و برای عملکرد موثرتر و کارآمدتر استفاده کرد. این مقاله عملکرد برداشت انرژی را به روشی کارآمد با استفاده از یک دوبرابر کننده ولتاژ ساده نشان میدهد. با تغییرات جزئی ما به ولتاژ خروجی بالایی از انرژی RF جمع آوری شده دست یافتیم.

معرفی

در سال های اخیر استفاده از دستگاههای بی سیم در بسیاری از برنامه ها مانند تلفن های همراه لپ تاپ ها یا شبکه های حسگر در حال رشد است. این افزایش در کاربردهای بی سیم باعث افزایش استفاده از باتریها شده است. بسیاری از تیمهای تحقیقاتی در حال کار بر روی استقلال باتری ها با کاهش مصرف دستگاهها و بهبود چگالی انرژی باتریها هستند در طول سالها فناوری به تلفن همراه اجازه داده است که نه تنها اندازه آی سیها بلکه باتریها را نیز کاهش دهد.

ترکیبات جدید مواد، توانایی تولید باتری هایی را ممکن کرده است که نه تنها کوچکتر هستند و عمر طولانی تری دارند بلکه می توانند به راحتی دوباره شارژ شوند عمر باتری الکتریکی محدود شرکتها و محققان را تشویق می کند تا با ایده ها و فن آوریهای جدیدی برای هدایت دستگاههای تلفن همراه بیسیم برای مدت زمان بی نهایت یا بهبود پیدا کنند دستگاههای بی سیم با محدودیت منابع معمول زمانی که باتری آنها تمام می شود باید دوباره شارژ شوند.

برای این منظور به منبع اصلی و شارژر برای شارژ باتری های خالی تلفن همراه یا هر دستگاه قابل حمل نیاز داریم. عملاً امکان حمل شارژر به هر کجا وجود ندارد و همچنین انتظار در دسترس بودن منبع تغذیه در همه جا وجود ندارد.

برای جلوگیری از چنین معایبی باید نوعی راه حل داده شود و آن میتواند شارژ بی سیم تلفن های همراه باشد. اگر تلفن همراه میتواند سیگنالهای برق RF را از دکلهای موبایل دریافت کند، چرا ما نمی توانیم از سیگنالهای دریافتی برق استخراج کنیم؟ این را میتوان با روش یا فناوری به نام برداشت انرژی فرکانس رادیویی انجام داد.

 

برداشت انرژی فرکانس رادیویی

گرفتن انرژی موجود از منابع محیطی ،خارجی یک فناوری است که به عنوان برداشت انرژی شناخته می شود. نامهای دیگر این فناوری عبارتند از Energy scavenging ،Power Harvesting و Free Energy که از انرژیهای تجدیدپذیر به دست میآید برداشت کننده های انرژی، سوخت لازم را از منابع خارجی محیط میگیرند و به طور واضح به طور رایگان در اختیار کاربر قرار میگیرند و ضریب هزینه شارژ باتریها را کاهش میدهند.

منابع انرژی محیط خارجی که بیشتر مورد توجه قرار می گیرند و برای برداشت انرژی مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از ،باد ،خورشید ارتعاش، ترموالکتریک گرادیان ،دما فرکانس رادیویی (RF) آکوستیک و غیره پیشرفتهای قابل توجه در دستگاه های الکترونیکی بیسیم کم مصرف نیز یک عامل محرک برای تشنگی در چنین فناوریهای برداشت انرژی فرکانس رادیویی  است.

فن آوری ها

برداشت انرژی به عنوان برداشت نیرو یا حذف انرژی نیز شناخته می.شود اکنون این موضوعی است که با توجه به نیاز به منابع انرژی “سبز” سطح قابل توجهی از علاقه را دریافت می تکنیک های زیادی برای برداشت انرژی وجود دارد.

بدیهی است که تکنیکهای واقعی به کار گرفته شده بر اساس منبع و شکل انرژی قابل برداشت و همچنین باری که قرار است تامین شود متفاوت خواهد بود – برخی بسیار کوچک خواهند بود (مانند حسگرهای بیسیم از راه دور و غیره) برخی دیگر بسیار بزرگتر خواهند بود (مثلاً برای تامین انرژی موتورها و غیره) فن آوری های زیادی وجود دارد که میتوان از آنها برای برداشت انرژی استفاده کرد.

برداشت انرژی RF

این شکل از برداشت انرژی از انرژی RF در محیط استفاده می کند و آن را به انرژی برای تامین انرژی یک دستگاه کوچک تبدیل می.کند بدیهی است که آنتن های دریافت کننده برای دریافت سیگنالهای RF مورد نیاز هستند که سپس تصحیح و استفاده می شوند.

برداشت انرژی پیزو الکتریک

اثر پیزو الکتریک سالهاست که شناخته شده و مورد استفاده قرار میگیرد. هنگامی که یک کریستال پیزوالکتریک تحریف میشود، یک پتانسیل در سراسر کریستال ظاهر میشود به این ترتیب میتوان از حرکت برای ایجاد قدرت استفاده کرد. این دستگاهها فقط برای تامین انرژی کمی استفاده میشوند.

برداشت انرژی ترموالکتریک

این شکل از برداشت انرژی از همان اصل استفاده شده در سنسورهای دمای ترموکوپل استفاده می.کند هنگامی که فلزات غیر مشابه به یکدیگر متصل می شوند، یک پتانسیل ایجاد می.شود اگرچه جریان تولید شده کم است با این وجود میتوان از آن در برخی موارد استفاده کرد.

ژنراتورهای بادی

در حالی که میتوان از توربین های بادی بزرگ برای برداشت انرژی در مقیاس بزرگ استفاده کرد از میکرو ژنراتورهای کوچک نیز میتوان استفاده کرد این شکل از برداشت انرژی به طور فزاینده ای برای تغذیه سیستمهای کوچک از راه دور استفاده میشود – برخی از علائم و حسگرهای کنار جاده از این شکل از برداشت انرژی استفاده می کنند.

سلولهای خورشیدی

جمع آوری نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی یکی از روشهای شناخته شده برداشت انرژی است. در حال حاضر سلولهای خورشیدی گران هستند و سطح کارایی نسبتا کمی را ارائه میدهند در نتیجه آنها به طور گسترده برای تولید برق در مقیاس بزرگ استفاده نمیشوند با این حال آنها برای سطوح کوچک تولید برق بسیار مفید هستند. اغلب آنها با ژنراتورهای باد دیده میشوند که علائم و سنسورهای کوچک کنار جاده را تغذیه می کنند. تئوری این است که اگر نور خورشید نباشد ممکن است باد وجود داشته باشد.

برداشت انرژی از طریق فرکانس رادیویی

امواج رادیویی در همه جا وجود دارند زیرا برای انتقال سیگنال ،تلویزیون رادیو، تلفن های همراه و غیره استفاده می شود. آنتن های جهت دار Omni اجزای اصلی مورد استفاده در سیستم های ارتباطی برای پخش توان RF در محدوده KW هستند. در عمل برای ارتباطات تلفن همراه، تعداد بسیار کمی از میلی وات توان RF را میتوان از جو حذف کرد زیرا حساسیت گیرنده آنتن های تلفن همراه بسیار بالا است. عامل اصلی برای چنین کاهش فوق العاده ای در توان ،ارسالی جذب توسط اجسام (یعنی موانع موجود در مسیر امواج RF و همچنین از دست دادن توان به شکل گرما در موادی است که جذب می شود.

اکثر دستگاههای بیسیم مانند تلفنهای همراه برای عملکرد خود به ترتیب در حالت خواب و فعال فقط از مایکرووات تا میلیوات توان مصرف میکنند بنابراین ما میتوانیم به آسانی با استفاده از مدار جابجایی از انرژی RF موجود در محیط خارجی استفاده کرده و از آن برای کار با تلفنهای همراه خود استفاده کنیم. اکنون میتوانیم مدار پیشنهادی خود را برای دستیابی به چنین عملکردی ببینیم.

شکل 1 معماری سیستم شارژ بی سیم

همچنین درباره طراحی و شبیه سازی مدار مقایسه کننده ولتاژ بخوانید

ساده ترین گزینه برای آنتن گیرنده استفاده از آنتن موجود است که میتوان آن را به صورت تجاری تهیه کرد. این ایده همراه با ساخت آنتن جدید مورد بررسی قرار گرفت. برای تحقیقات اولیه، یک آنتن شلاقی موج یک چهارم برای تمام اهداف آزمایش استفاده شد. این آنتن مشابه آنتنی است که در رادیوهای اتومبیل استفاده میشود به این آنتن یک چهارم موج می گویند زیرا به گونه ای طراحی شده است که طول آن تقریباً یک چهارم طول موج سیگنال باشد.

این بدان معناست که برای یک سیگنال ۹۱۵ مگاهرتز با طول موج برابر با ۳۲ سانتی متر یک آنتن موج یک چهارم دارای طول ۸ سانتی متر خواهد بود معضل اصلی در استفاده از این نوع آنتن این است که برای کارکرد صحیح به سطح زمین نسبتاً بزرگی نیاز دارد. این برای رادیوهای خودرویی که می توانند به قاب ماشین متصل شوند، مناسب است. اما برای این پروژه صفحه زمینی مورد نیاز برای دریافت سیگنال کافی برای تغذیه مدار ،شارژ بزرگتر از فاکتورهای شکل پایههای شارژ انتخاب شده برای قرار دادن مدارها است. تصویری از آنتن شلاقی موج یک چهارم در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکل 2 آنتن شلاقی موج یک چهارم

صفحه مسی بزرگ صفحه زمین است. آنتن با یک کانکتور SMA در قسمت زیرین صفحه زمین به مس وصل شده است. این نوع کانکتور از یک مکانیسم پیچ ساده استفاده میکند که امکان اتصال آسان با سایر مدارها و تجهیزات تست را فراهم میکند. سیم از طرف دیگر به کانکتور BNC برد متصل می شود. همانطور که میبینید این هواپیمای زمینی نسبتا بزرگ است و برای استفاده در داخل پایه تلفن همراه بسیار بزرگ است.

تقریباً ۵۰ درصد مساحت بیشتری نسبت به غرفه هایی که برای این تحقیق انتخاب شدهاند را پوشش میدهد با در نظر گرفتن این موضوع نوع دیگری از آنتن نیاز به تحقیق و آزمایش دارد انواع دیگر آنتنهایی که باید در نظر گرفته شوند تکه ها، نوارهای میکرو، دوقطبی و تک قطبی هستند. آنتن پچ هنگام استفاده از پروژه تحقیقاتی مانند این دو مشکل عمده دارد. اولین مورد این است که همچنین باید نسبتاً بزرگ باشد مطابق با سطح زمین برای آنتن شلاقی موج یک چهارم دلیل دوم این است که بسیار جهت دار ،است یعنی فقط در یک جهت تشعشع می کند و تشعشع را می پذیرد یعنی منطقه پوشش خوبی ندارد این دلایل این گزینه را رد می کند.

آنتن میکرو نواری میتواند هر نوع آنتنی باشد که قبلاً در مورد آن صحبت شد، اما چیزی که آن را منحصر به فرد میکند این است که روی یک سطح نقاشی شده است به طوری که در همان صفحه مدار چاپی قرار دارد. این نوع آنتن بیشتر در سطوح کوچک مانند قالب سیلیکونی استفاده می شود تا توسط مدار روی همان قالب استفاده شود.

منظور از نقاشی روی این است که بر روی یک قالب سیلیکونی بر روی سطح حک شده است، یا روی یک برد مدار چاپی، بخشی از یک لایه رسانا است. این بدان معنی است که می تواند پچ، دوقطبی یا شلاق موج یک چهارم ،باشد تا زمانی که تمام فلز در یک صفحه باشد. مشکل اصلی این آنتن بهره و جهت آن است این نوع آنتنها برای استفاده در RFID مناسب هستند

اما برای این پروژه یک مانع خواهند بود. احتمالاً گزینه ای برای بررسی در تحقیقات آینده است.دو نوع آخر آنتن دو قطبی و تک قطبی از نظر خصوصیات و ساختار مشابه هستند. تفاوت این است که یک تک قطبی یک نقطه اتصال به مدار دارد در حالی که یک دو قطبی دارای دو نقطه اتصال است. برای این پروژه آنتن تک قطبی به دلیل سهولت نسبی استفاده از آن آنتن انتخابی بود. آنتن تک قطبی اساساً از یک تکه سیم مسی تشکیل شده است که یک سر آن به مدار متصل است و سر دیگر آن باز است.

احتمالاً بهترین دلیل برای استفاده از آنتنی مانند این این است که به خوبی در پایه های انتخاب شده قرار می گیرد. سیم به مدار متصل میشود و سپس یک بار در داخل کیس پیچیده می شود. اطمینان حاصل کنید که با هیچ بخش دیگری از مدار یا خود تماس نداشته باشد. یکی دیگر از کیفیت های خوب این نوع آنتن این است که محدوده فرکانس کاری آن نسبتا زیاد است. برای این تحقیق این مفید است زیرا تنظیم دقیق آنتن مورد نیاز نیست سیمی که به دور پایه پیچیده شده بود به عنوان یک آنتن عمل می کرد و در فرکانس ۹۱۵ مگاهرتز، که فرکانس انتخابی است، کارآمد بود.

یک آنتن دوقطبی در عین حال که طراحی آن آسان است ساختن آن برای قرار دادن پایه هایی که برای آزمایش انتخاب شده اند دشوارتر است دوقطبی نیاز به دو اتصال دارد که سیم ها در جهت های جداگانه از یکدیگر اجرا میشوند طول موثر هر یک از این سیمهای مجزا نصف طول تک قطبی است، زیرا این دو قطعه نمیتوانند با هم تماس داشته باشند و فضای کمی برای همپوشانی وجود دارد. با طراحی ساده و ویژگی های عملیاتی قابل قبول، تک قطبی بهترین آنتن برای این تحقیق در نظر گرفته شد.

چند برابر کننده ولتاژ

چند برابر کننده ولتاژ مداری است که d.c ولتاژ برابر با مضربی از پیک ولتاژ ورودی تولید می کند. این شامل دو یا چند آشکارساز پیک یا یکسو کننده است ضرب کنندههای ولتاژ در مدارها کاربردهایی پیدا کردند جایی که ولتاژ بالا با جریان کم مورد نیاز است مانند لوله تصویر در گیرنده های تلویزیون اسیلوسکوپها و غیره خازنها و دیودها در یک شبکه ترکیب شده اند.

بسته به ولتاژ خروجی ضرب کنندهها انواع مختلفی دارند

• دوبرابر کننده ولتاژ
• سه برابرکننده ولتاژ
• چهار برابر کننده ولتاژ

دوبرابر کننده ولتاژ

دوبرابر کننده ولتاژ یک d.c ولتاژ تقریبا دو برابر مقدار rms ورودی a.c ولتاژ تولید می کند.
دوبرابر کننده ولتاژ می تواند دو نوع باشد

•  دو برابر کننده ولتاژ نیم موج
•  دو برابر کننده ولتاژ موج کامل

دوبرابر کننده ولتاژ نیم موج

شکل ۳ مدار دوبرابر کننده ولتاژ نیم موج را نشان می دهد. در طول نیم سیکل مثبت دیود ولتاژ ثانویه D۱ هدایت میشود و D۲ قطع میشود. اکنون خازن C به اوج ولتاژ تصحیح شده Vm شارژ میشود با قطبیت نشان داده شده در شکل در طول نیم سیکل ،منفی ولتاژ ثانویه به صورت سری با ولتاژ در سرتاسر خازن C می.آید. بنابراین C۲ سعی می کند تا ۲ ( ورودی و Vm خازن (C۱ شارژ کند پس از چند چرخه ولتاژ در خازن C۲ برابر با Vm۲ خواهد بود. از آنجایی که دیود D۲ در طول نیم چرخه منفی به عنوان یک اتصال کوتاه عمل میکند و دیود D۱ باز است میتوانیم ولتاژهای اطراف حلقه بیرونی را جمع کنیم.

شکل 3 دوبرابر ولتاژ نیمه موج

در مدار خازن C1 در نیم سیکل منفی تخلیه می شود. دوباره در نیم سیکل مثبت شروع به شارژ می کند. بنابراین دوبرابر ولتاژ نیم ،موج ولتاژ بار را در یک نیم سیکل تامین می کند. بنابراین تنظیم دوبرابر کننده ولتاژ نیم موج ضعیف است.

دو برابر کننده ولتاژ موج کامل

شکل ۴ مدار یک دو برابر کننده ولتاژ موج کامل را نشان می دهد. مدار دو برابر کننده ولتاژ دیگری به نام دو برابر کننده ولتاژ موج کامل در شکل نشان داده شده است. در طول نیم سیکل مثبت دیود ولتاژ ثانویه D۱ هدایت میکند خازن C۱ خازن را به ولتاژ اوج Vm شارژ می.کند در این زمان دیود D۲ نارسانا .است در طول نیمه سیکل منفی دیود D۲ خازن C۲ را به Vm شارژ میکند با قطبیت مشخص شده در حالی که دیود D۲ نارسانا است. از آنجایی که هر دو خازن ۱ و C۲ به صورت سری هستند ولتاژ خروجی نهایی تقریباً Vm۲ است. این مدار دوبرابر کننده ولتاژ موج کامل نامیده میشود زیرا در هر نیم سیکل ولتاژ ورودی یکی از خازنهای خروجی شارژ میشود.

شکل ۴ دو برابر کننده ولتاژ موج کامل

تطبیق امپدانس

در الکترونیک تطبیق امپدانس تمرین طراحی امپدانس ورودی یک بار الکتریکی (یا امپدانس خروجی منبع سیگنال متناظر آن برای به حداکثر رساندن انتقال توان یا به حداقل رساندن انعکاس از بار است.
در مورد امپدانس منبع پیچیده ZS و امپدانس بار ZL حداکثر انتقال توان زمانی حاصل می شود
که Zs – ZL
که در آن مزدوج پیچیده را نشان میدهد حداقل بازتاب زمانی بدست می آید که Zs=ZL باشد. مفهوم تطبیق امپدانس در ابتدا برای مهندسی برق توسعه داده شد اما می تواند در هر زمینه دیگری که در آن نوعی انرژی نه لزوماً الکتریکی بین منبع و بار منتقل می شود، اعمال شود. یک جایگزین برای تطبیق امپدانس پل زدن امپدانس است که در آن امپدانس بار بسیار بزرگتر از امپدانس منبع انتخاب میشود و هدف به حداکثر رساندن انتقال ولتاژ به جای توان است.

امپدانس، مخالفت یک سیستم با جریان انرژی از یک منبع است برای سیگنال های ثابت این امپدانس نیز میتواند ثابت باشد برای سیگنالهای متفاوت معمولاً با فرکانس تغییر می کند. انرژی درگیر میتواند ،الکتریکی ،مکانیکی مغناطیسی یا حرارتی .باشد مفهوم امپدانس الکتریکی شاید رایج ترین شناخته شده .باشد امپدانس الکتریکی مانند مقاومت الکتریکی، بر حسب اهم اندازه گیری میشود به طور کلی امپدانس ارزش پیچیده ای دارد. این بدان معنی است که بارها به طور کلی دارای یک جزء مقاومت نماد (R هستند که بخش واقعی Z را تشکیل می دهد و جزء مساحت نماد ) که قسمت خیالی 2 را تشکیل می دهد.

در موارد ساده مانند انتقال توان با فرکانس پایین یا جریان مستقیم راکتانس ممکن است ناچیز یا صفر باشد. امپدانس را میتوان یک مقاومت خالص در نظر گرفت که به صورت یک عدد واقعی بیان می شود. در خلاصه زیر حالت کلی را در نظر خواهیم گرفت که مقاومت و راکتانس هر دو مهم هستند و مورد خاصی که در آن راکتانس ناچیز است.

تنظیم امپدانس منبع یا امپدانس بار به طور کلی تطبیق امپدانس نامیده می شود. سه راه برای بهبود عدم تطابق امپدانس وجود دارد که به همه آنها تطابق امپدانس” گفته می شود:

•  دستگاه هایی که برای ارائه یک بار ظاهری به منبع Zload = Zsource (تطبیق مزدوج پیچیده در نظر گرفته شده اند با توجه به منبعی با ولتاژ ثابت و امپدانس منبع ثابت، قضیه حداکثر توان میگوید این تنها راه برای استخراج حداکثر توان از منبع است.
• دستگاه هایی که قصد دارند بار ظاهری load = Zline تطابق امپدانس پیچیده) را ارائه دهند تا از پژواک جلوگیری شود با توجه به یک منبع خط انتقال با یک امپدانس منبع ثابت این تطابق امپدانس بدون انعکاس در انتهای خط انتقال تنها راه برای جلوگیری از بازتاب پژواک ها به خط انتقال است.
•  دستگاههایی که قصد دارند مقاومت منبع ظاهری را تا حد امکان نزدیک به صفر نشان دهند یا ولتاژ منبع ظاهری را تا حد امکان بالا ارائه دهند این تنها راه برای به حداکثر رساندن بهره وری انرژی است و بنابراین در ابتدای خطوط برق استفاده می شود. چنین اتصال پل امپدانسی همچنین اعوجاج و تداخل الکترومغناطیسی را به حداقل می رساند. همچنین در تقویت کننده های صوتی مدرن و دستگاههای پردازش سیگنال استفاده می شود.

دستگاه های مختلفی بین منبع انرژی و بار استفاده میشوند که تطبیق امپدانس» را انجام میدهند برای تطبیق امپدانسهای الکتریکی مهندسان از ترکیبی از ترانسفورماتورها، مقاومت ها، سلف،ها خازنها و خطوط انتقال استفاده میکنند این دستگاه های تطبیق امپدانس غیرفعال (و فعال) برای کاربردهای مختلف بهینه سازی شده اند و شامل بالونها، تیونرهای آنتن که گاهی اوقات به دلیل ظاهرشان ATU یا رولر کوستر نامیده میشوند)، بوقهای آکوستیک شبکه های تطبیق و پایانه کننده ها هستند.

شکل 5 مدار تطبیق ساده

شکل 6 شبکه L با خازن مواز ی خروجی

شکل ۷ مدار تطبیق قدرت باند ساده

نتیجه گیری

امواج رادیویی محیطی به طور جهانی در محدوده فزایندهای از فرکانسها و سطوح قدرت به ویژه در مناطق شهری پرجمعیت وجود دارند این امواج رادیویی یک منبع منحصر به فرد و در دسترس انرژی را نشان میدهند که بتوان آن را به طور موثر و کارآمد برداشت کرد. افزایش تعداد فرستنده های بی سیم به طور طبیعی منجر به افزایش چگالی انرژی RF و در دسترس بودن می شود.
فرستنده های برق اختصاصی راه حلهای برق بیسیم مهندسی شده و قابل پیش بینی را بیشتر می کنند. با کاهش مداوم در مصرف برق قطعات الکترونیکی افزایش حساسیت گیرنده های غیر فعال برای برداشت انرژی RF و بهبود عملکرد دستگاههای ذخیره سازی انرژی با نشتی کم برنامه های کاربردی برای شارژ بدون سیم با استفاده از توان بیسیم و رشد برداشت انرژی فرکانس رادیویی ادامه خواهد یافت.