Potencia RF: Cómo funciona la recolección de energía RF

¿Por qué no configurar una pequeña antena para captar algo de esa Radiofrecuencia y rectificarla? Será fácil obtener aproximadamente un microvatio, y usarlo para cargar lentamente una batería o supercondensador. Eso será suficiente para alimentar un dispositivo IoT que solo necesita encenderse de vez en cuando, transmitir una lectura, y luego volver a dormir. Entonces, después de que nuestro dispositivo IoT vuelva a encenderse, la cosecha de RF se reanuda, y mucha energía almacenada espera el próximo despertar.

Bueno, al menos, esa es la teoría. Y suena bastante bien. Después de todo, una estación de TV radia una cantidad enorme de RF. Solo una fracción diminuta de esta se disipa en las etapas del detector del total combinado de todos los receptores de TV que están sintonizados. El resto está ahí, esperando ser cosechado.

Técnicas de recolección RF

La recolección de energía RF comienza con una antena. Una antena determinada solo puede cosechar eficientemente energía radiada desde un banco cercano de frecuencias. Un buen punto de partida es el ejemplo de los TV UHF y VHF. Incluso a 500 MHz, un dipolo tendría una longitud de 0,3 metros. Esto ya presenta una señal de alarma, porque es una cantidad bastante grande de espacio dedicado a cosechar lo que será una cantidad bastante pequeña de energía. Además, la antena debe colocarse en una orientación espacial específica con respecto a la antena transmisora de la estación de TV. Y ambos requisitos la hacen poco práctica para un dispositivo portátil.

La antena receptora del colector presenta una impedancia de 50 ohmios, la cual debe coincidir con la impedancia de entrada del resto del dispositivo. El voltaje recolectado en la antena luego debe aumentarse a al menos un voltio para que pueda ser rectificado en CC. Esto se puede hacer con un arreglo llamado bomba de carga, que aumenta el voltaje pero, por supuesto, no puede aumentar la potencia total de RF.

Investigación sobre cosecha de energía de RF

Una serie interesante de experimentos se centra en la recolección de energía RF generada por una estación de transmisión de televisión en Tokio, Japón, a una distancia de 6.5 km. El diagrama de bloques para el proyecto es el siguiente.

El proyecto fue realizado en el Georgia Institute of Technology en conjunto con investigadores de la University of Tokyo. En esta implementación, la bomba de carga mencionada se encuentra dentro del bloque RF-DC.

Los resultados importantes del proyecto se resumen en el siguiente diagrama. Los bloques verdes representan la cantidad de energía—en microwatios—capturada a la distancia relevante de 6.5 km por la antena de emisiones en frecuencias UHF características de la TV japonesa. Las bandas azules y rojas representan la energía necesaria para cargar el supercondensador mencionado en el diagrama de bloques a 1.8 voltios y 3.0 voltios, respectivamente.

Limitaciones de la recolección de energía RF

Los defensores de la recolección remota de RF para dispositivos IoT afirman que este enfoque sería útil para alimentar un sensor remoto en un área urbana. Pero, como hemos visto, se requiere una antena relativamente larga y debe estar orientada con precisión hacia una estación de TV u otra fuente de energía. Además, si la fuente de energía se desplaza o cambia, todos los dispositivos IoT correspondientes deben ser realineados. Esto anula todo el propósito de implementar la recolección de energía para el IoT, que es evitar la tarea de acceder físicamente al dispositivo que se alimenta. Los requisitos de antena por sí solos hacen que la recolección remota de energía para dispositivos portátiles sea poco práctica.

Cuando se considera que la incidencia de la energía solar es mucho mayor que la cantidad de RF permitida en áreas de población general en cualquier lugar del mundo desarrollado, es difícil justificar su implementación. Además, la situación probablemente no cambiará, porque hay un límite en la cantidad de energía RF que puede incidir en cualquier espacio abierto al público general. Si acaso, es probable que los límites se reduzcan, ya que la exposición a RF se está examinando con preocupación debido a posibles riesgos para la salud de las personas.

Cuando se considera que la incidencia de energía solar es mucho mayor que la cantidad de RF permitida en áreas de población general en cualquier lugar del mundo desarrollado, es difícil justificar su despliegue. Además, la situación probablemente no cambiará, porque hay un límite en cuanto a la cantidad de energía RF que puede incidir en cualquier espacio abierto al público en general. Si acaso, es probable que los límites se reduzcan, ya que la exposición a RF se está mirando con preocupación debido a los posibles riesgos para la salud de las personas.

Los partidarios de la recolección remota de RF para dispositivos IoT afirman que este enfoque sería útil para alimentar un sensor remoto en un área urbana. Pero, como hemos visto, se requiere una antena relativamente larga y debe estar orientada precisamente hacia una estación de televisión u otra fuente de energía. Además, si la fuente de energía se desplaza o cambia, todos los dispositivos IoT correspondientes deben realinearse. Esto derrota todo el propósito de implementar la recolección de energía para el IoT, que es evitar la tarea de acceder físicamente al dispositivo que se está alimentando. Los requisitos de antena por sí solos hacen que la recolección de energía remota para dispositivos portátiles sea impráctica.

Soluciones de aprovechamiento de energía RF

RF dirigido para la recolección de energía

Hay situaciones en las que un sensor se despliega en un área de difícil acceso, o quizás el área en sí sea peligrosa para los humanos. En estos casos, se ha desarrollado un método mediante el cual un sensor se alimenta no a través de la cosecha de energía aleatoria, sino desde la cosecha de energía específicamente dirigida al sensor. En lugar de depender de las incertidumbres de una antena complicada o la presencia o ausencia de una señal de televisión, un técnico puede orientar un transmisor RF hacia la unidad desde una distancia segura.

Powercast Corporation ofrece un kit de evaluación para ayudar a las organizaciones a explorar las posibilidades de esta tecnología. El kit de evaluación P2110-EVAL-02 de la compañía está disponible en Arrow Electronics. La hoja de datos revela que incluye un transmisor y receptor RF, una antena y una placa de carga para aprovechar la energía transmitida. Y ciertamente, otra área importante para explorar es RFID.

RFID - Identificación por Frecuencia Remota

La identificación de frecuencia remota, o RFID, utiliza señales de ondas de radio para identificar un objeto etiquetado. El dispositivo que lee la etiqueta la baña en una señal RF que sirve para dos propósitos. Primero, la etiqueta—un diminuto dispositivo electrónico— "recolecta" la energía RF incidente, que usa para encenderse. Luego, la etiqueta, que contiene información digital de identificación almacenada, transmite esos datos de regreso al lector.

El lector ahora conoce la identidad del artículo que escaneó. Las etiquetas pueden ser bastante pequeñas en comparación con las etiquetas de códigos de barras visuales. Además, un empleado humano puede realizar la identificación desde una distancia, y el enfoque se presta fácilmente a la automatización.

Practicidad de la potencia RF

Entonces, a menos que esté diseñando un régimen de IoT o wearables para operar en el mismo edificio que alberga un transmisor de televisión, la evidencia lleva fuertemente a la conclusión de que será un esfuerzo quijotesco y, en última instancia, poco práctico. Por otro lado, hay situaciones en las que la captura de energía de RF de ondas de radio específicamente dirigidas puede ser eminentemente práctica.