Potencia RF: Cómo funciona la recolección de energía RF
Todo parece tan simple, y a primera vista, tiene mucho sentido. Vivimos en un mundo inundado de señales electrónicas: radio, televisión, Wi-Fi y señales de teléfonos móviles, solo por mencionar algunas de las más evidentes. Gracias a la llegada de los dispositivos móviles, los wearables y el Internet de las Cosas (IoT), uno de los principales impulsos de la investigación y el desarrollo en electrónica ha sido desarrollar aplicaciones que funcionen con muy poca energía.
¿Por qué no instalar una pequeña antena para capturar algo de esa Radiofrecuencia y rectificarla? Será fácil obtener un microvatio aproximadamente y usarlo para cargar lentamente una batería o un supercondensador. Eso será justo lo suficiente para alimentar un dispositivo IoT que solo necesita encenderse de vez en cuando, transmitir una lectura y luego volver a dormir. Luego, después de que nuestro dispositivo IoT se reactive, la recolección de RF se reanuda, y habrá suficiente energía almacenada esperando el próximo despertar.
Bueno, al menos esa es la teoría. Y suena bastante bien. Después de todo, una estación de televisión emite una enorme cantidad de RF. Solo una fracción diminuta de esta se disipa en las etapas del detector del total combinado de todos los televisores que están sintonizados. El resto está ahí, esperando ser recolectado.
Técnicas de recolección de RF
La recolección de energía de RF comienza con una antena. Una antena dada solo puede recolectar eficientemente la energía radiada de un rango cercano de frecuencias. Un buen punto de partida es el ejemplo de la TV UHF y VHF. Incluso a 500 MHz, un dipolo tendría 0,3 metros de longitud. Esto ya representa una señal de advertencia, porque es una cantidad considerable de espacio utilizado para recolectar 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 hacen que sea poco práctico para un dispositivo portátil.
La antena receptora del recolector 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 incrementarse al menos a un voltio para que pueda ser rectificado en corriente continua (DC). Esto se puede lograr con una disposición llamada bomba de carga, que incrementa el voltaje pero, por supuesto, no puede aumentar la potencia total de RF.
Investigación sobre la recolección de energía 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.
Figura 1: Representación de una descripción a nivel de sistema de un dispositivo de recolección de energía de RF. (Fuente: “A Battery-Less, Energy Harvesting Device for Long Range Scavenging of Wireless Power from Terrestrial TV Broadcasts,” Instituto de Tecnología de Georgia)
El proyecto se llevó a cabo en el Instituto de Tecnología de Georgia en conjunto con investigadores de la Universidad de Tokio. En esta implementación, la bomba de carga mencionada anteriormente está contenida 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 microvatios—capturada a una distancia relevante de 6,5 km por la antena a partir de emisiones en frecuencias UHF características de la televisión japonesa. Las bandas azul y roja representan la energía necesaria para cargar el supercondensador mencionado en el diagrama de bloques a 1.8 voltios y 3.0 voltios, respectivamente.
Figura 2: El supercondensador se cargó a 2.9 voltios en un tiempo razonable. (Fuente: “Un dispositivo sin batería y de recolección de energía para la captación de energía inalámbrica de largo alcance a partir de transmisiones de televisión terrestre,” Instituto de Tecnología de Georgia)
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 una zona urbana. Pero, como hemos visto, se requiere una antena relativamente larga, y esta debe estar orientada con precisión hacia una estación de televisión u otra fuente de energía. Además, si la fuente de energía cambia o se desplaza, todos los dispositivos IoT correspondientes deben ser realineados. Esto contradice el propósito principal 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 la 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 sobre la cantidad de potencia de RF que puede incidir en cualquier espacio abierto al público en general. De hecho, es probable que los límites se reduzcan aún más, ya que la exposición a RF está siendo analizada con preocupación debido a los posibles riesgos para la salud de las personas.
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, es poco probable que la situación cambie, porque existe un límite en cuanto a la cantidad de energía RF que puede incidir en cualquier espacio abierto al público general. En todo caso, es probable que los límites se reduzcan aún más, ya que la exposición a RF está siendo examinada con preocupación debido a los posibles riesgos para la salud de las personas.
Los defensores de la recolección de energía remota por 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 esta debe estar orientada con precisión hacia una estación de televisión u otra fuente de energía. Además, si la fuente de energía cambia o se desplaza, todos los dispositivos IoT correspondientes deben ser realineados. Esto contradice completamente 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 la antena por sí solos hacen que la recolección de energía remota para dispositivos portátiles sea impráctica.
Soluciones de recolección de energía RF
RF dirigido para recolección de energía
Hay situaciones en las que se despliega un sensor en un área de difícil acceso o, quizás, el área en sí misma es peligrosa para los seres humanos. En estos casos, se ha desarrollado un método mediante el cual un sensor no se alimenta utilizando la recolección de energía aleatoria, sino recolectando energía dirigida específicamente al sensor. En lugar de depender de las incertidumbres de una antena complicada o de la presencia o ausencia de una señal de televisión, un técnico puede apuntar un transmisor de 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 a través de 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, sin duda, otra área importante para explorar es RFID.
RFID - Identificación por Frecuencia Remota
La identificación por radiofrecuencia, o RFID, utiliza señales de ondas de radio para identificar un objeto etiquetado. El dispositivo que lee la etiqueta la expone a una señal de radiofrecuencia (RF) que cumple dos propósitos. Primero, la etiqueta—un diminuto dispositivo electrónico— "recolecta" la potencia de RF incidente, que utiliza para encenderse. Luego, la etiqueta, que contiene información de identificación digital almacenada, transmite esos datos de vuelta al lector.
Ahora el lector conoce la identidad del elemento que escaneó. Las etiquetas pueden ser bastante pequeñas en comparación con las etiquetas de código de barras visuales. Además, un empleado humano puede hacer la identificación desde una distancia, y el enfoque se presta fácilmente a la automatización.
Practicidad de la potencia RF
Entonces, a menos que estés diseñando un régimen de IoT o wearables para operar en el mismo edificio que alberga un transmisor de televisión, la evidencia conduce firmemente a la conclusión de que será un esfuerzo quijotesco y, en última instancia, impráctico. Por otro lado, hay situaciones en las que la recolección de energía RF de ondas de radio específicamente dirigidas puede ser eminentemente práctica.
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