TEL014 CARGADOR INALÁMBRICO PARA DISPOSITIVOS MÓVILES. Autores: Julio César García Álvarez - jcgarciaa@unal.edu.co Juan Ignacio Tobón

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1 TEL014 CARGADOR INALÁMBRICO PARA DISPOSITIVOS MÓVILES Autores: Julio César García Álvarez - jcgarciaa@unal.edu.co Juan Ignacio Tobón Institución: Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales País: Colombia RESUMEN Se presenta el análisis de un prototipo de recarga inalámbrica mediante medición de la eficiencia de recepción. Este trabajo se realizó mediante una herramienta de simulación para dispositivos RF. Para la medición se determinó la eficiencia de carga del prototipo inalámbricos, visualizando gráficos de potencia vs. Tiempo en el puerto de salida del dispositivo, curvas de tensión de avalancha dispuesto por los diodos, y gráficos de tensión vs. frecuencia en el puerto de salida del dispositivo. De este modo se analizan las ventajas de utilizar dispositivos de recarga inalámbrica. I. INTRODUCCIÓN Una cantidad creciente de dispositivos utilizan interfaces inalámbricas, y uno de los principales retos en su diseño es la forma en la cual estabilizar el nivel de carga de las fuentes de energía, especialmente las baterías. Con la miniaturización de dispositivos, se hace posible de nuevo el análisis sobre la transmisión de energía de forma inalámbrica, pero con un enfoque diferente al tratado en los años 50. En efecto, se trata de la reutilización o reciclaje de energía de radio frecuencia para dispositivos que ya no consumen altas cantidades de potencia y requieren potencias pequeñas para funcionar. Por lo anterior, la tecnología de reciclaje de energía cobra importancia al presentar la posibilidad obtener sistemas electrónicos más portables. Estos sistemas que en su totalidad serían auto-energizados tendrían ventajas como: Mayor tiempo de duración, lo que permitiría aumentar el rango en el cual el sistema podría actuar (sistemas espaciales, sistemas oceanográficos). Portabilidad. Siendo un sistema integrado se eliminaría la necesidad de llevar dispositivos de recarga junto al sistema en sí. La optimización del uso de fuentes de energía dentro del mismo sistema integrado, ya que diferentes partes del sistema necesitan fuentes específicas para su funcionamiento. El consumo y producción de menos materiales tóxicos, con lo que se establece un sistema favorable con el medio ambiente. Bajo mantenimiento, ya que se elimina la necesidad de intercambiar baterías, por lo menos durante períodos largos de tiempo.

2 Menos masa y volumen, ya que al ser recargada continuamente la batería no tiene que almacenar grandes cantidades de energía. Se han realizado varias investigaciones en el campo de reciclaje o aprovechamiento de la energía, el cual está presente de muchas formas en nuestro medio ambiente, por esto la primera sección se presentan las diferentes metodologías y al final, se ilustra el enfoque sobre RF. II. FUENTES DE ALIMENTACIÓN DE DISPOSITIVOS II-A. Baterías Del conjunto de las baterías recargables, aquellas que utilizan NiCd poseen memoria, por lo que si no se descargan completamente para el siguiente ciclo de carga, almacenan menos energía. Con respecto a las baterías de NiMH y las de Li-Ion, la ventaja de las baterías de NiMH es que no tienen memoria, sin embargo las baterías de Li-Ion son más usadas en los dispositivos móviles debido a una mayor densidad de energía y que son más fáciles de producir. Por ahora ése es el componente del cuál dependen todos los dispositivos móviles, pero dada la reducción de tamaño y de consumo de energía de éstos dispositivos se puede pensar en una fuente alterna basada en el reciclaje de energía, que no llega a reemplazar totalmente este componente pero que pueda llegar a aportar parte de la energía que consume el dispositivo. Pero, teniendo un sistema en el cual el consumo de energía sea lo suficiente pequeño, la fuente alterna de energía podría alcanzar, gracias a un elemento almacenador de energía, proveer toda la energía requerida por el sistema, y en el caso de los dispositivos móviles darles completa independencia de las fuentes de energía convencionales. II-B. Luz Solar El uso de energía solar ha sido el método deseado durante mucho tiempo para proveer energía de forma continua a los sistemas espaciales, pero solo recientemente se han desarrollado métodos para crear sistemas fotovoltaicos que pueden ser integrados en un chip junto al sistema al cual le deben proveer energía y que son lo suficientemente eficientes para proveer esta energía a partir de fuentes de luz diferentes al sol. La celda solar está compuesta por una capa p-n delgada en un substrato de silicio que puede ser incorporada en los circuitos integrados comunes y dependiendo de la aplicación han desarrollado 2 sistemas, uno que puede producir 100Volts 2.8µ Amperes en un área de 1cm x 1cm bajo la luz de un bombillo corriente de 100Watts y otro que carga directamente una batería de Li-Ion que produce 5 Volts y 2.3 ma en un área de 3 cm x 3 cm bajo condiciones de luz ambiente normales. II-C. Térmicos Algunos sistemas podrían hacer uso de las diferencias en la temperatura que hay en el medio ambiente, por ejemplo, la diferencia de temperatura entre la tierra y el aire, las corrientes termales en el océano, o el gradiente de temperatura en los lagos. Una de las

3 ventajas que tiene un sistema como éste es que los gradientes de temperatura todavía suceden de noche, cuando los dispositivos basados en la incidencia de luz no funcionan. La eficiencia de un sistema que funciona dado un gradiente de temperatura debe ser muy alta, y por esto se han desarrollado generadores termoeléctricos que operan similarmente al principio de una celda solar y que pueden proveer 20µ Watts en un área de 6.7mm x 9.5mm dada una diferencia de temperatura mayor a 20 Kelvin. Estos generadores pueden ser usados en ambientes donde la temperatura debe ser monitoreada, como en aplicaciones automotrices, relojes de pulsera y para monitoreo médico de temperatura. II-D. Movimiento La energía producida por las vibraciones ha sido la fuente de poder de varios prototipos de microgeneradores y esencialmente hay tres maneras de realizar la conversión de energía, y son: Conversión electromagnética (inductiva), electrostática (capacitiva) y piezoeléctrica. La conversión electromagnética es el método más conocido para generar energía a partir de algún tipo de vibración y consiste en una masa que está unida a un resorte, una espiral inductiva y un imán. De esta forma se aplica la ley de Faraday para inducir una corriente AC en la espiral. Con este sistema se han logrado hasta 400µ Watts a 2 Hertz (una persona caminando) en un volumen de 4cm x 4cm x 10cm. II-E. Piezoeléctricos La conversión electrostática se logra sometiendo 2 placas metálicas precargadas a una vibración, el hecho de que estén precargadas y que las separe una distancia d es lo que las vuelve un capacitor. Teniendo en cuenta que la distancia es proporcional al tensión en un capacitor y que las placas metálicas ya poseen un tensión, la vibración producirá un cambio de tensión (la carga se mantiene constante) que puede es rectificado por un diodo y almacenado en un capacitor de carga. Con este sistema se han logrado 8.6 µwatts a 2.52 khertz en un volumen de 1.5cm x 0.5cm x 1mm. La conversión piezoeléctrica se logra debido a los materiales como la cerámica policristalina que al ser procesados en presencia de un campo eléctrico externo, alinean la estructura cristalina del material, y luego este material procesado produce variaciones de tensión cuando es deformado. Con este sistema se han logrado 207 µ Watts a 85 Hertz en un volumen de 4cm x 3cm x 4cm. II-F. Fluídos El sistema consiste en una placa flexible de polímeros y bandas piezoeléctricas que oscilan al paso de flujos, entregando energía eléctrica del orden de Watts para flujos de 1m/s. Como ejemplos se tienen osciladores ubicados en corrientes de un río o de océanos.

4 III. DISPOPSITIVO DE RECARGA RF Se basa en el concepto de que se puede capturar energía RF por medio de una antena tipo microstrip, introducirla en una celda de carga y usar esta energía para hacer funcionar algún otro sistema. La celda de carga mencionada anteriormente es un tipo de circuito, que dada una entrada AC es capaz de producir una salida DC típicamente mayor a la que podría proveer un simple rectificador. Es la base de los circuitos de conversión de energía usados en la mayoría de los dispositivos electrónicos de hoy en día, aunque mucho más simple, dada la gran cantidad de circuitos protectores que tienen los circuitos usados en estos dispositivos para reducir el ruido y las protecciones contra las subidas de tensión de la fuente. Pero teniendo en cuenta lo reducido de la señal de entrada que nos interesa en este proyecto, sólo se necesita un circuito simple de celda de carga. El circuito de celda de carga es un arreglo en cascada de dobladores de tensión que cumple muy bien con las necesidades de una celda de carga. Fig. 1 ETAPA BÁSICA DEL DOBLADOR DE TENSIÓN. La ventaja que presenta este modelo es que con una adecuada integración de sus componentes, se puede usar en sistemas reducidos, en los que el espacio que ocuparía otro de los sistemas descritos anteriormente haría que se descartara el uso de un dispositivo de reciclaje de energía. IV. RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION Aún siendo un concepto que ya tiene varios años, el uso comercial de sistemas que involucren el reciclaje de energía RF es relativamente nuevo. Como ejemplo de ellos se tienen los sensores inalámbricos, que permiten reducir costos en la implementación de un sistema de seguimiento en una línea de producción, o sensores para implantar en pacientes. El uso comercial más difundido en años recientes es la tecnología RFID (Radio Frequency IDentification), el cual es un método de almacenamiento y recuperación de datos remotos que usa dispositivos denominados etiquetas o tags RFID. Una etiqueta RFID es un dispositivo pequeño, que puede ser adherido o incorporado a un producto, animal o persona. Las etiquetas RFID contienen antenas para permitirles recibir y

5 responder a peticiones por radiofrecuencia desde un emisor-receptor RFID. Las etiquetas pasivas no necesitan alimentación eléctrica interna, mientras que las activas sí lo requieren. Las etiquetas RFID pueden ser pasivas, activas, semipasivas o activas. Las etiquetas RFID pasivas no tienen fuente de alimentación propia. La mínima corriente eléctrica inducida en la antena por la señal de escaneo de radiofrecuencia proporciona suficiente energía al circuito integrado de la etiqueta para poder transmitir una respuesta. Debido a las preocupaciones por la energía y el coste, la respuesta de una etiqueta pasiva RFID es casi inmediata, normalmente apenas un número de identificación. La falta de una fuente de alimentación propia hace que el dispositivo pueda ser bastante pequeño: existen productos disponibles de forma comercial que pueden ser insertados bajo la piel. Las etiquetas pasivas, en la práctica tienen distancias de lectura que varían entre unos 10 milímetros hasta cerca de 6 metros dependiendo del tamaño de la antena del Tag y de la potencia y frecuencia en la que opera el lector. Fig. 2 ETIQUETAS RFID PASIVAS. Las etiquetas RFID semi-pasivas son muy similares a las pasivas, salvo que incorporan además una pequeña batería. Esta batería permite al circuito integrado de la etiqueta estar constantemente alimentado. Además, elimina la necesidad de diseñar una antena para recoger potencia de una señal entrante. Por ello, las antenas pueden ser optimizadas para la señal de backscattering. Las etiquetas RFID semi-pasivas responden más rápidamente, lo que les da la ventaja para su uso en una línea de producción. Las etiquetas RFID activas, por otra parte, deben tener una fuente de energía, y pueden tener rangos mayores y memorias más grandes que las etiquetas pasivas, así como la capacidad de poder almacenar información adicional enviada por el transmisor-receptor. Actualmente, las etiquetas activas más pequeñas tienen un tamaño aproximado de una moneda. Muchas etiquetas activas tienen rangos prácticos de diez metros, y una duración de batería de hasta varios años. Hay cuatro clases distintas de bandas en uso. Son categorizadas según su ubicación de frecuencia: las bandas de frecuencia baja (entre 125 ó khz), las bandas de alta frecuencia (13.56 MHz), las etiquetas UHF (868 a 956 MHz), y las etiquetas de microondas 2,45 GHz) y el uso de una u otra frecuencia depende principalmente de la distancia y del tipo de material que tienen que atravesar.

6 Fig. 3 ETIQUETA RFID DONDE VA A SER INSERTADA. V. RESULTADOS Siendo uno de los componentes principales en un sistema que recicla energía RF es importante optimizar el rendimiento de este circuito, siendo la cantidad de etapas y los valores de los condensadores las variables a tener cuenta para este proceso. Este proyecto se basa en el proyecto de tesis descrito en [1], [2], por lo que el número de etapas sólo lo limita el espacio que se pueda usar para acomodar el circuito doblador de tensión, y que el circuito tiene un mejor comportamiento si los valores de los capacitares se mantienen iguales en cada etapa. Teniendo en cuenta que el enfoque de este proyecto no es proveer energía directamente a algún dispositivo o carga, sino analizar la funcionalidad del circuito doblador de tensión, se escogió un número arbitrario de etapas (8) para hacer dicho análisis, basándose solamente en los resultados obtenidos en el proyecto de tesis antes mencionado. Con esto en mente, es razonable partir de los datos usados anteriormente para intentar optimizar el circuito de la mejor manera posible. Para el análisis y la optimización se tendrá en cuenta sólo la respuesta en frecuencia del circuito dado que la universidad carece del software necesario para hacer simulaciones a tan altas frecuencias. Se intentó la simulación con Orcad PSpice pero este software no responde a simulaciones mayores a 500 khz, así que como alternativa se usó el software Ansoft Designer SV, que en su versión de estudiante sólo permite el análisis de circuitos lineales, y en el dominio de la frecuencia, que limita bastante la capacidad de analizar un circuito como el que está en cuestión, también dado que la simulación solo puede ser con componentes lineales se usó una aproximación al diodo con datos que aparecen en la hoja de datos del mismo. Partiendo de los resultados obtenidos en [1], [2] tenemos un circuito doblador de tensión en cascada como se muestra en la figura 4. Donde se puede apreciar que todos los condensadores son de 2.2 nf. Los diodos son Schottky de pequeña señal 1N5711 que tienen una tensión directa de 0.34 V típico a 10 ma, con capacitancias ideales [3], [4]. El circuito de la figura tuvo un buen comportamiento en la aplicación para la cual fue probado, pero para generalizar el diseño, el circuito debe responder adecuadamente en un rango amplio de frecuencias, y debe funcionar a partir de una fuente de energía que le va a entregar muy poca potencia, como es el caso de una antena que reciba una señal transmitida bajo las restricciones de potencia existentes en el país.

7 Fig. 4 CIRCUITO DOBLADOR PRESENTADO QUE SE DEBE SINTONIZAR. Luego, entre menor sea la barrera de potencial de los diodos, el circuito va a presentar una mejor respuesta ante una excitación pequeña, y los condensadores son los que van a intervenir directamente en la sintonización del circuito. Los resultados del procedimiento se ilustran en el circuito de la figura 5. Fig. 5 IMPEDANCIAS DE ENTRADA Y SALIDA DEL CIRCUITO ORIGINAL. Las características de impedancias de entrada y salida del circuito se acercan más a cero, a medida que se incrementa la frecuencia, esto quiere decir que hay menos reflexión al incrementarse la frecuencia, y que las impedancias, van a ser sencillas de acoplar para cualquier aplicación en la que se necesite este circuito. Fig. 6 MAGNITUD DE LA GANANCIA COMPLEJA DE TENSIÓN.

8 El circuito de la figura 6 no se está comportando de la mejor manera, idealmente la densidad de potencia debería estar concentrada sólo en DC, mientras que las frecuencias altas no deberían aparecer. De esta forma se tendría una mejor respuesta transitoria y un menor rizado en la respuesta del circuito. La manera de lograr esto es incrementando el valor de las capacitancias de cada etapa dado que: (V.1) Una mayor capacitancia en los en cada etapa permite que la impedancia a frecuencias altas sea mayor produciendo el efecto deseado de filtrado de estas frecuencias, la limitante en este caso está en el área que puedan ocupar los condensadores y hallar un valor que permita una mayor ganancia y una mejor respuesta transitoria, variando tanto los condensadores de cada etapa como el condensador de carga. Teniendo en cuenta que la herramienta de simulación es bastante limitada, la forma proceder para encontrar éstos valores es usando el método de prueba y error. Después de varias pruebas con distintos valores de capacitancia, se llegó a un circuito con los valores mostrados en la figura 7 y que presenta una respuesta como la mostrada en la 8. Fig. 7 NUEVOS VALORES PARA LOS COMPONENTES DEL CIRCUITO. En la figura 7 se puede apreciar que los valores de todos los condensadores de arriba se incrementó a 100 nf debido a que influyen en la ganancia, los condensadores de abajo se incrementaron a 10 nf para que el circuito filtrara mejor las frecuencias altas, pero el valor del condensador de carga se mantuvo debido a que afectaba de manera negativa la respuesta del circuito. En la figura 8 se puede apreciar el efecto de los cambios, las frecuencias altas son mucho más acentuadas con respecto a las bajas, y hay una mejora con respecto a la ganancia del circuito, pero también hay que tener en cuenta que los cambios hechos a las capacitancias pudieron haber alterado las impedancias de entrada y salida y de esta forma haber complicado la fabricación de un sistema usando este circuito. Como se puede apreciar en la figura 9, las impedancias de entrada y salida se acercan más al punto cero, inclusive desde las frecuencias más pequeñas, entonces se puede decir que los cambios en el circuito funcionaron también en el sentido que éste presenta menor reflexión en las frecuencias pequeñas, transmitiendo así mejor la potencia de entrada.

9 Fig. 8 - GANANCIA DESPUÉS DE LA SINTONIZACIÓN. VI. CONCLUSIONES Fig. 9 EFECTO DE LOS CAMBIOS EN LOS COMPONENTES SOBRE LAS IMPEDANCIAS DEL CIRCUITO. Dadas las características del circuito, éste se presta para fabricarlo como un solo integrado, mejorando las características del mismo y minimizando las pérdidas. Las impedancias de entrada y salida no varían significativamente a altas frecuencias, lo que facilita su acople en el caso que vaya ser usado como una etapa en un sistema más complejo. Con las observaciones realizadas en las simulaciones se puede plantear que el circuito por si sólo no podría proveer energía como única fuente a un sistema que se encuentre alejado razonablemente de la fuente RF. Específicamente, el componente crítico de este sistema es la antena, que se propone como el paso siguiente en la investigación para desarrollar un sistema completo de conversión de energía RF a DC. Las limitaciones que presentan los software se simulación para este tipo de proyectos de altas frecuencias, hicieron que el circuito solo se pudiera sintonizar de acuerdo a dos características: curva de la ganancia e impedancias. La versión completa del software usado en este trabajo (Ansoft Designer) posee muchas características que pueden complementar este proyecto, y facilitar además los trabajos de simulación que se presentan en la universidad. Por lo que presento como sugerencia la adquisición de la licencia de este software.

10 Debido a que el software era una versión que limita las simulaciones a circuitos lineales, queda pendiente la revisión de los valores aproximados que resultaron del uso de un modelo lineal del diodo en las simulaciones. La dificultad para adquirir los componentes necesarios en Colombia para hacer un montaje de alta frecuencia, da pie a requerir infraestructuras que permitan probar el funcionamiento de este circuito, construyendo uno o varios prototipos. REFERENCIAS [1] D. Harrist, Wireless battery charging system using radio frequency energy harvesting, Master s thesis, University of Pittsburgh, School of Engineering, [2] J. Franco, Módulo de antena tipo microstrip para uhf. Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Tech. Rep., T 89 / F825m / 2004 / 1, [3] A. Technolgies., Surface mount rf schottky barrier diodes. Agilent Technologies., Tech. Rep. [4], 1n5711, 1n5712, series, series, schottky barrier diodes for general purpose applications. Agilent Technologies., Tech. Rep. AUTORES Julio César García Alvarez, (S 97 M 03) Recibe el título de Ingeniero Electrónico de la Universidad Nacional de Colombia, en 1998, y el de magíster en Ingeniería Electrónica y de Computadores de la Universidad de los Andes, en Vinculado como Profesor de la Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Computación, desde Sus áreas de investigación incluye wavelets, análisis de tráfico, propagación electromagnética, compresión de datos, microstrips, encriptación y procesamiento de señales digitales. Actualmente es director del Laboratorio de Propagación y Medios Electromagnéticos, Conmutación y Procesamiento Multimedia de la Universidad Nacional de Colombia. Tiene en proceso de publicación los libros: Introducción a Sistemas de Comunicación Digital, y Compresión de Datos.