HF-Leistung: Wie die Energiegewinnung mittels HF funktioniert

Warum richten Sie nicht eine kleine Antenne ein, um einige dieser Radiofrequenzen einzufangen und zu gleichrichten? Es wird einfach sein, etwa ein Mikrowatt zu gewinnen und dieses zu nutzen, um langsam eine Batterie oder einen Superkondensator zu laden. Das wird gerade genug Energie sein, um ein IoT-Gerät zu betreiben, das sich nur ab und zu einschalten muss, eine Messung überträgt und dann wieder in den Schlafmodus geht. Sobald unser IoT-Gerät wieder aktiv wird, geht das RF-Harvesting weiter, und es steht ausreichend gespeicherte Energie für die nächste Aktivierung bereit.

Nun ja, zumindest in der Theorie. Und das klingt ziemlich gut. Schließlich strahlt eine Fernsehanstalt eine enorme Menge an Hochfrequenz aus. Nur ein winziger Bruchteil davon wird in den Detektorstufen der Gesamtmenge aller Fernseher verbraucht, die eingeschaltet sind. Der Rest ist da draußen und wartet darauf, geerntet zu werden.

Techniken zur RF-Energiegewinnung

Die Ernte von HF-Leistung beginnt mit einer Antenne. Eine bestimmte Antenne kann nur effizient Leistung aus einem nahen Frequenzbereich aufnehmen. Ein guter Ausgangspunkt ist das Beispiel von UHF- und VHF-Fernsehen. Selbst bei 500 MHz wäre ein Dipol 0,3 Meter lang. Dies wirft bereits ein Warnsignal auf, da dies eine ziemlich große Fläche beansprucht, um eine relativ geringe Menge an Leistung zu ernten. Darüber hinaus muss die Antenne in einer spezifischen räumlichen Ausrichtung in Bezug auf die Sendeantenne der TV-Station platziert werden. Beide dieser Anforderungen machen es für ein tragbares Gerät unpraktisch.

Die Empfangsantenne des Erntegeräts weist eine Impedanz von 50 Ohm auf, die an die Eingangsimpedanz des restlichen Geräts angepasst werden muss. Die an der Antenne gewonnene Spannung muss anschließend auf mindestens ein Volt erhöht werden, damit sie in Gleichstrom (DC) umgewandelt werden kann. Dies kann mit einer Anordnung namens Ladungspumpe (Charge Pump) erfolgen, die die Spannung erhöht, jedoch natürlich die gesamte HF-Leistung nicht steigern kann.

Forschung zur Energiegewinnung aus HF

Eine interessante Reihe von Experimenten konzentriert sich auf die Gewinnung von HF-Leistung, die von einer Fernsehsendeanstalt in Tokio, Japan, in einer Entfernung von 6,5 km erzeugt wird. Das Blockschaltbild für das Projekt lautet wie folgt.

Abbildung 1: Darstellung einer Systembeschreibung eines RF-Energiegewinnungsgeräts. (Quelle: „Ein batterieloses, Energiegewinnungsgerät für das langfristige Sammeln von drahtloser Energie aus terrestrischen Fernsehsendungen“, Georgia Institute of Technology)

Das Projekt wurde am Georgia Institute of Technology in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Tokio durchgeführt. In dieser Implementierung ist die zuvor beschriebene Ladungspumpe im RF-DC-Block integriert.

Wichtige Ergebnisse des Projekts sind im folgenden Diagramm zusammengefasst. Die grünen Blöcke repräsentieren die Energiemenge – in Mikrowatt –, die in einer Entfernung von 6,5 km von der Antenne aus Emissionen bei UHF-Frequenzen, die für das japanische Fernsehen charakteristisch sind, erfasst wurden. Die blauen und roten Bereiche stehen für die Energie, die benötigt wird, um den im Blockdiagramm erwähnten Superkondensator auf 1,8 Volt bzw. 3,0 Volt aufzuladen.

Abbildung 2: Der Superkondensator wurde in einer angemessenen Zeit auf 2,9 Volt geladen. (Quelle: „Ein batterieloses, energieerntendes Gerät für das langfristige Sammeln von drahtloser Energie aus terrestrischen TV-Sendungen“, Georgia Institute of Technology)

Beschränkungen der RF-Energiegewinnung

Die Befürworter der Fern-RF-Ernte für IoT-Geräte behaupten, dass dieser Ansatz nützlich sein könnte, um einen entfernten Sensor in einem städtischen Gebiet mit Energie zu versorgen. Doch, wie wir gesehen haben, wird eine relativ lange Antenne benötigt, die exakt auf eine TV-Station oder eine andere Energiequelle ausgerichtet sein muss. Und falls sich die Energiequelle verschiebt oder ändert, müssen alle entsprechenden IoT-Geräte neu ausgerichtet werden. Dies widerspricht dem gesamten Zweck des Energieerntens für das IoT, nämlich die physische Zugänglichkeit des mit Energie versorgten Geräts zu vermeiden. Allein die Anforderungen an die Antenne machen das Fern-Energieernten für tragbare Geräte unpraktisch.

Wenn man bedenkt, dass die Intensität der Sonnenenergie weitaus höher ist als die Menge an HF, die in Gebieten der allgemeinen Bevölkerung überall in der entwickelten Welt erlaubt ist, ist es schwer, eine Implementierung zu rechtfertigen. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass sich die Situation ändern wird, da es eine Grenze dafür gibt, wie viel HF-Leistung in einem Raum, der der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich ist, auftreten kann. Falls überhaupt, ist es wahrscheinlich, dass die Grenzwerte weiter reduziert werden, da HF-Exposition aufgrund möglicher Gesundheitsrisiken für Menschen mit Besorgnis betrachtet wird.

Wenn man bedenkt, dass die Intensität von Solarenergie deutlich größer ist als die Menge an Hochfrequenzenergie (RF), die in Gebieten mit allgemeiner Bevölkerungsdichte in der entwickelten Welt zulässig ist, ist es schwer, den Einsatz zu rechtfertigen. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass sich die Situation ändert, da es eine Grenze gibt, wie viel RF-Leistung in einem für die allgemeine Öffentlichkeit zugänglichen Raum auftreten kann. Tatsächlich ist es wahrscheinlicher, dass die Grenzwerte weiter zurückgeschraubt werden, da die Hochfrequenzexposition mit Besorgnis hinsichtlich möglicher Gesundheitsrisiken für Menschen betrachtet wird.

Die Befürworter des Fern-RF-Harvestings für IoT-Geräte behaupten, dass dieser Ansatz nützlich sein könnte, um einen entfernten Sensor in einem städtischen Gebiet mit Energie zu versorgen. Doch wie wir gesehen haben, wird eine relativ lange Antenne benötigt, die präzise auf eine TV-Station oder eine andere Energiequelle ausgerichtet sein muss. Und wenn sich die Energiequelle verschiebt oder verändert, müssen alle entsprechenden IoT-Geräte neu ausgerichtet werden. Dies widerspricht dem eigentlichen Ziel des Energiemanagements für das IoT, nämlich die physische Zugänglichkeit des betriebenen Geräts zu vermeiden. Allein die Antennenanforderungen machen das Fernenergie-Harvesting für tragbare Geräte unpraktisch.

RF-Energie-Erntelösungen

Gezieltes RF für Energiegewinnung

Es gibt Situationen, in denen ein Sensor in einem schwer zugänglichen Bereich installiert wird oder der Bereich selbst für Menschen gefährlich ist. In solchen Fällen wurde eine Methode entwickelt, bei der ein Sensor nicht durch die Ernte zufälliger Energie, sondern durch die gezielte Ernte von Energie direkt für den Sensor betrieben wird. Anstatt von den Unwägbarkeiten einer komplizierten Antenne oder der Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines TV-Signals abhängig zu sein, kann ein Techniker aus sicherer Entfernung einen RF-Sender auf die Einheit richten.

Die Powercast Corporation bietet ein Evaluierungs-Kit an, um Organisationen zu helfen, die Möglichkeiten dieser Technologie zu erkunden. Das Evaluierungs-Kit P2110-EVAL-02 des Unternehmens ist bei Arrow Electronics erhältlich. Laut Datenblatt umfasst es einen RF-Sender und Empfänger, eine Antenne sowie eine Ladeplatine, um die übertragene Energie zu nutzen. Und sicherlich ist ein weiterer wichtiger Bereich, den man erkunden sollte, RFID.

RFID - Fernfrequenzidentifikation

Die Remote-Funkfrequenz-Identifikation, oder RFID, verwendet Funkwellensignale, um ein markiertes Objekt zu identifizieren. Das Gerät, das den Tag liest, bestrahlt diesen mit einem RF-Signal, das zwei Zwecke erfüllt. Erstens „erntet“ der Tag – ein winziges elektronisches Gerät – die auf ihn treffende RF-Leistung, die er nutzt, um sich selbst mit Energie zu versorgen. Anschließend überträgt der Tag, der gespeicherte digitale Identifikationsinformationen enthält, diese Daten zurück an das Lesegerät.

Der Leser kennt jetzt die Identität des Gegenstands, den er gescannt hat. Die Tags können im Vergleich zu visuellen Barcode-Tags ziemlich klein sein. Darüber hinaus kann ein menschlicher Mitarbeiter die Identifizierung aus der Entfernung vornehmen, und der Ansatz lässt sich problemlos automatisieren.

Praktikabilität der HF-Leistung

Es sei denn, Sie entwerfen ein IoT- oder Wearables-Regime für den Betrieb im selben Gebäude, in dem sich ein TV-Sender befindet, deutet die Beweislage stark darauf hin, dass dies ein unrealistisches und letztlich unpraktisches Unterfangen sein wird. Andererseits gibt es Situationen, in denen das RF-Energie-Harvesting gezielt gerichteter Radiowellen äußerst praktisch sein kann.