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.
