implementación de un sistema de transmisión inalámbrica de ... · transferencia inalámbrica de...
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MASKAY 8(1), May 2018 Recibido (Received): 2018/04/02 ISSN 1390-6712 Aceptado (Accepted): 2018/05/31
DOI: 10.24133/maskay.v8i1.598 35 MASKAY
1
Abstract— This paper proposes an alternative method of wireless power supply for low power consumption devices. For the design of the antennas responsible for the transmission of energy, microstrip lines were used on a FR4 substrate (Flame Retardant 4) based on mathematical methods tested from other research contributions. Therefore, integrated circuits with MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) technology are included for the generation of radio-frequency as an energy source in the range of 16 MHz to 23 MHz. In the reception phase, a three-stage doubling voltage circuit is required with the purpose of rectifying and amplifying the transmitted signal. The results of the implementation of the system indicate an efficiency between 20% and 30% for transmission distances up to 90 millimeters without obstacles. The performance decreases between 0% and 6.67% when crossing materials such as agglomerate, plastic, glass, expanded polystyrene, fabric and wood, however, it totally loses performance with metal.
Index Terms — Voltage Doubling Rectifier Circuit, Electromagnetic Radiation, Magnetic Resonant Coupling, Wireless Power Transfer, Microstrip, MMIC.
Resumen— El presente documento plantea un método alternativo de alimentación eléctrica para dispositivos de bajo consumo de potencia de forma inalámbrica. Para el diseño de las antenas encargadas de la transmisión de energía se emplearon líneas microstrip sobre un sustrato FR4 (Flame Retardant 4) basados en métodos matemáticos probados de otros aportes investigativos. Se emplean circuitos integrados con tecnología MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) para la generación de radio – frecuencia como fuente de energía en el rango de los 16 MHz a 23 MHz. En la fase de recepción, se
1Vinueza J., Santacruz F., Zabala M. y Ribadeneira J. pertenecen a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Panamericana Sur km 1 1/2, Riobamba-Ecuador (e-mail: [email protected], {m_zabala, fabricio.santacruz, jefferson.ribadeneira }@espoch.edu.ec).
Mayorga M., pertenece a la Universidad Técnica de Ambato, Av de Los Chasquis, Ambato-Ecuador (e-mail: [email protected])
requiere de un circuito doblador – rectificador de voltaje de tres etapas con la finalidad de rectificar y amplificar la señal transmitida. Los resultados de la implementación del sistema indican una eficiencia entre el 20% y 30% para distancias de transmisión de hasta 90 mm sin obstáculos. El rendimiento decae entre 0% y 6.67% al utilizar obstáculos como aglomerado, plástico, vidrio, poli estireno expandido, tela y madera, sin embargo, pierde totalmente el rendimiento con metal.
Palabras Claves — Circuito Doblador de Voltaje, Radiación Electromagnética, Acoplamiento Resonante Magnético, Transferencia Inalámbrica de Energía, Microstrip, MMIC.
I. INTRODUCCIÓN OS primeros registros del uso de transmisión inalámbrica de energía eléctrica data hace más de 100 años cuando
Nikola Tesla desarrolla el circuito de bobina que mediante variaciones en el flujo de campo magnético se logra la transmisión de energía sin la utilización de ningún medio físico. La transferencia inalámbrica de energía es básicamente un mecanismo por el cual la energía eléctrica puede ser transmitida desde una fuente de alimentación a una carga eléctrica sin la necesidad de usar cables. Las investigaciones se han centrado en la necesidad de buscar formas más convenientes en sistema de carga eléctrica [2]. Actualmente existen varias aplicaciones de sus descubrimientos como los sistemas de transformación eléctrica a través de inducción electromagnética utilizados para el sistema de alimentación de todo tipo de artefactos en el hogar y la industria [1].
Algunas técnicas de radiación de energía hacen uso de tecnología de RF (Radio Frecuencia), las cuales transmiten la señal a través del aire mediante el uso de ondas de radio consideradas como no perjudiciales para la salud humana [3], son usualmente aplicadas para transferir inalámbricamente energía a dispositivos de bajo consumo de potencia, sin embargo, en algunos casos la baja intensidad de la señal
Implementación de un sistema de transmisión inalámbrica de energía eléctrica a través de
acoplamiento resonante magnético de campo cercano para dispositivos de bajo consumo de
potencia Implementation of a wireless transmission system of
electric energy through magnetic resonant coupling of near field for low power consumption devices
Vinueza J., Mayorga M., Santacruz F., Zabala M., Ribadeneira J.
L
36
re
enqureElcaco
reacunbral coreob
sisane noFi
ut
ca
Fig
A.
16teccovaSecase
B.
decutravecaco
6
cibida exige laPropuestas d
nergía han siuienes optan sonante magnlectricity (Witapacitivo cononocidas como
El sistema plsonante mag
coplar dos antna misma frecurinda una alter
proponer insotidiano para ceptora anexa
btener la cargaEn la secció
stema de tranalizan los res
implementacominales con einalmente, en l
En esta secctilizados para e
El diseño delada una descrit
g. 1. Etapas del s
Fuente de eLa fuente de
6 MHz a 25 cnología MMI
ontrolado por valores de voltae debe considalidad de los eñal disminuye
Sistema de tLa transmisió
e dos antenas umplir el acoabajos previoser Fig. 2. El dapacitivas, en eomo un lazo d
a utilización dde sistema dido presentadpor métodos
nético [5] tamtricity), así co
nvencional [6o rectenas [8]. lanteado se banético de caenas de caractuencia de resornativa al probertar el sistemque con un sada a un dispa necesaria parón II se explansmisión inasultados mediación práctica el propósito dla sección IV
II. ME
ción se abordel sistema tranl sistema se hata en las subse
sistema transmiso
nergía energía operaMHz y se geIC (Monolithivoltaje y dos aaje alcanzadosderar que la va
integrados Me inversamente
transmisión y ón inalámbricacon líneas m
oplamiento rs [10], [12] - [diseño contempel caso de la a
de alimentació
de circuitos amde transferencdos por divers como el ambién conociomo el acopla], [7] y ant
asa en la técniampo cercanoterísticas idén
onancia [3], [1blema de la u
ma transmisor imple acercampositivo de bra funcionar. lica cada unalámbrica. Enante simulació
y se comde observar la se presentan l
ETODOLOGÍA da el diseño nsmisor inaláma dividido en ecciones siguie
or de energía inalá
a en el rango denera mediantic Microwave amplificadores son de 13500ariación en la
MMIC, ya quee proporcional
recepción a de energía s
microstrip de desonante mag[14], [25] part
mpla una espiraantena transmin y en la ante
mplificadores [cia inalámbrirsos investiga
acoplamiento ido como Wamiento inductenas rectific
ica de acoplamo que consisnticas que ope0] - [13], [21]
utilización de en muebles d
miento de la abaja potencia
a de las etapn la sección ón por compu
mparan sus vvariación exias conclusione
y los compombrico de ener5 etapas, ver Fentes.
ámbrica
de frecuenciaste un osciladoIntegrated Cirs de bajo ruid0 Vpp a 12600a amplitud es e la amplitud l a la frecuenc
se lo realiza a diseño idénticgnético basadticularmente da que une las isora, la espiraena receptora r
[4]. ica de adores fuerte
Wireless ctivo y adoras
miento ste en eran en ], [22], cables de uso antena pueda
as del III se
utadora valores stente. es.
nentes rgía. Fig. 1,
s entre or con rcuits)
do. Los 0 Vpp. por la de la
cia.
través o para do en
de [12] placas
a actúa recoge
la epost
Fig. espac
ECapmise incargconelécinduvez fuen
Lindumisenerconel inmínreac
Fig.
Econfrec
nergía hacia eteriormente a
2. Alineación dcio libre
El circuito equpacitivo (RLCmo que permi
nducir la corriega del condensador en
ctrica resultanuctor para el s
por la naturante [2].
La resonancia uctiva y la rma magnitud rgía eléctrica densador y elnductor y el c
nima y una impctancia inducti
3. Circuito equiv
En [21], el disidera un cir
cuencia de reso
el circuito dobla resistencia
de la antena tran
uivalente es dC) [21], comoite al campo mente eléctrica endensador, p
estado de nte que creasiguiente cicloaleza de la co
en el sistemreactancia cap
que da comentre los cam
l inductor respcondensador tpedancia en piva y capacitiv
valente RLC del s
iseño del sistrcuito RLC a onancia del sis
2rf =
blador – rectifide carga.
nsmisora y recep
de tipo Resisto se muestra magnético delen el devanadopara que pdescarga gen
a un campo o, el proceso sorriente altern
ma ocurre cuapacitiva del o resultado la
mpos eléctricospectivamente. tienen una imaralelo máximva son de igua
sistema de transm
tema de antentravés del c
stema definido
12 LCπ
MASK
icador de volta
ptora separadas p
tivo – Inductiven la Fig. 3
l inductor colao que conduce
posteriormentenere la corrimagnético ee repite una ya que actúa c
ando la reactacircuito tienea oscilación ds y magnético
En la resonanmpedancia en ma, mientras qual magnitud [2
misión y recepción
nas resonantecual se obtieno en (1):
KAY
aje y
por el
vo – 3, el apsar e a la e el iente
en el y otra como
ancia en la de la s del ncia, serie ue la ].
n [21]
es se ne la
(1)
37
doto
qupo
lovaditanac
pausla o
lasde
dorepcoy esbode
mcoel inreρ punm
PadiSea uel [2in
7
onde fr es la fretal del sistemaLa frecuencia
ue el sistema otencia.
En la ecuaciós valores de
alor de la cmensiones dento, la induc
ctúan como boSegún [12] s
ara el diseño dso más óptimo
hexagonal, cide alta impedaEl valor de la
s espiras come la bobina. Pa
onde L1 reprpresenta la pe
oeficientes de son iguales a
spiral rectanguobina y dout y de la bobina res
La distanciamicrostrip es donstrucción de
número totalductancia del lación de rellepequeño indic
n ρ grande (ρmayor.
El grosor delara observar elsminuir el núe puede deducun aumento dvalor de la f
21]. El diseñoductancia se m
ecuencia de rea y L es la indua de resonanc
de antenas
ón (1) se obsercapacitancia
capacitancia de las tiras dectancia depenobinas situadasse escoge la fode la bobina poo del espacio circular, de unaancia [27]. a inductancia o la longitud
ara el efecto, s
1 1 0L K= ⋅μ
resenta la inermeabilidad ediseño que de
a 2.34 y 2.75 ular, n represdin representspectivamente a de separacide 1.2mm pore la antena. Col de espiras qsistema de acueno del bobinca un área de cρ ≈ 1) indica
dd
ρ =
l cobre es unal efecto de la imero de vuelt
cir de (2) que del valor de lafrecuencia de de las espira
muestra en la F
esonancia, C euctancia del sicia indica el transfiere la
rva que fr depeC e inductan
depende prine cobre y delnde del númes al otro lado dorma espiral –or su facilidadcon respecto aa sola espira,
depende de lade la tira de ce usa la fórmu
((
2
22 1out inn d d
K+
⋅⋅ + ⋅ρ
nductancia enen el espacio liependen de larespectivamenenta el númetan el diámetr
ión entre cadr una limitacionsidere que laque lleva la auerdo al valor
nado definido cobertura de la un área cub
out in
out in
d dd d
−+
a constante deinductancia setas en las bobel incremento
a inductancia lresonancia d
as rectangularFig. 4.
es la capacitanistema valor de frecumayor cantid
ende fuertemencia L. Ademncipalmente dl sustrato, miero de espiradel sustrato. – rectangular
d de fabricacióa otras formaslíneas serpent
as característicobre y la geoula de Wheele
))
n
ρ
n el puerto ibre, K1 y K2 s
a forma de la bnte para una bero de espirasro externo e i
da espira de ión práctica pa distancia incantena y afectr de 𝜌 [21], quen (3), en donla bobina redubierta de la b
valor de 0.03e debe incremebinas de las ano de espiras colo que ocasion
disminuya segres que produ
ncia
uencia dad de
ente de más, el de las ientras as que
r plana ón y un s como teantes
icas de ometría r [14]:
(2)
1, μ0 son los bobina bobina de la
interno
línea para la cide en ta a la
ue es la nde un ucido y bobina
(3)
35mm. entar o ntenas. onduce na que ún (1)
ucen la
Fig.
EcobFlamelécsustecua
Fig.
LEl vrectpermcapavari
Sdimsin no ó25macorde cenco
L
4. Vista frontal
En la Fig. 5 se re que producme Retardantctrica de εr = trato FR4 seatoriano adem
5. Vista interna
Los cuatro recvalor de la catángulo condmitividad del acitancia se miar su valor.
Se consideramensiones de c
embargo, al uóptimo, por lo
mm para obterde a la fuentcobre se asignontrar una fr d
La pérdida por
de la antena de in
describe la focen la capacitat 4 (FR4) que4.3 y un gros
e debe a su más del costo m
de la antena de ca
ctángulos de capacitancia C ductor, A, elsustrato, ε, m
manifiesta en
C =
aron como cada rectángulutilizar (4) y luo que se mod
ener una frecute de energía. naron empíricadeseada. r inserción (ins
nductancia 1.2029rma rectangulancia. El sustre cuenta con sor de 1.6mm
accesibilidadmenor respecto
apacitancia 3.964cobre actúan [21] dependel grosor de
mostrados en (4la frecuencia
Ad
ε ⋅
valores inilo de cobre duego (1) se obtdificaron los vuencia de resLos valores d
amente por pa
sertion loss) S
MASK
90𝑥10 H
lar de las placarato utilizado
una permitivm. La selecciónd en el mero a otros sustra
40625𝑥10 F
como capacite del área de l aislante, d4). El efecto d
a de resonanc
ciales para e 35mm x 20tuvo un valor valores a 59msonancia más de los rectáng
arte del autor h
S21 y el coefici
KAY
as de es el
vidad n del rcado atos.
ores. cada
d, y de la
cia al
(4)
las 0mm,
de fr mm x
baja gulos hasta
iente
38
depa(5
potrala poefre
C.
la sesucirBrpicoACdequ𝐶enqureun
Fig
codefre
D.
indeDi
E.en
8
e reflexión (rearámetros para) y (6) [10].
En (5) n11 otencia reflejaansmisor, mie
salida de pootencia en el tficiencia del cibida en el la
. Circuito recEs necesario salida de la a
eñal alterna uficientementercuito básico revemente se co negativo d
orriente al capC revierte la erecha permiteue carga al ca
. El incrementrada, Vout = ue percibe el cctificador – do
n voltaje adecu
g. 6. Circuito bá
El circuito bon diodos Schetectar cambiecuencia.
. Carga Para efectos alámbrica de
e Luz común irecta) provist
Medidas denergía
En la Tabla
eflection coeffa analizar la e
11n S=
21n S=
muestra la reada y la entrentras que en (otencia en el transmisor, éssistema al ca
ado receptor.
ctificador – doun circuito reantena recepto
a un volte fortalecida pa rectificador describe su fu
de la fuente ACpacitor Cb, car
polaridad, el e el paso de laapacitor Ce y ento en el voVcc = -2∙V1. Dcircuito se utioblador de vouado para ence
ásico rectificador d
ásico rectificahottky que poios rápidos
de demostraenergía se utilque se alimenta por la etapa
l sistema de tr
a 1 y en la
fficient o retureficiencia del
211 100%S ⋅
221 100%S ⋅
elación entre rada de poten(6) n21 presenreceptor debi
sta última se ualcular el por
oblador de volectificador – dora para ampltaje de corara la carga. Ldoblador de
funcionamientoC el diodo D1rgándolo. Cua diodo D1 se
a corriente en que dobla la
oltaje es dos vDebido al bajoilizan 3 etapasoltaje con el prender la carga
doblador de voltaj
ador de voltajor su alta code pico de
ción del sisteliza como cargnta con la enea rectificadora
ransmisión ina
Fig. 7 se mu
rn loss) S11 ssistema acord
las cantidadncia en el ladnta las cantidaido a la entrautiliza para mercentaje de e
ltaje doblador de volificar y converriente direcLa Fig. 6 muese voltaje [4],o cuando ingr
1 permite el flando la mismae apaga y D2el sentido delcarga mantenveces el volto voltaje de es del circuito ropósito de disa.
aje [4]
je es implemeonmutación p
voltaje de
ema de transmga un Diodo Eergía DC (Cor– amplificado
alámbrico de
uestran los v
on los de con
(5)
(6)
des de do del des de ada de edir la
energía
oltaje a ertir la cta lo stra un [15]. resa el lujo de a señal 2 a su diodo
nida en aje de
entrada básico sponer
entado ermite radio
misión Emisor rriente ora.
valores
calc
Pa Ta
Nues
AnesEs
PlRacirAn
Fig. front
CindusisteL=1
culados para e
PARÁMETROS CAarámetro
amaño
umero de vueltas spiral – rectangula
ncho de las espiraspiral rectangularspacio entre espir
laca capacitiva adio interno de larcular ncho de la única e
7. Medidas de ltal (b)
Con los datosuctancia, capema, es así, 1.2290×10-5 H
l sistema de anTAB
ALCULADOS EN EL
de la bobina ar
as de la bobina
ras
a única espira
espira circular
(
(
la antena transm
s anteriores spacitancia y
que medianH, C=3.964062
ntenas. BLA I L DISEÑO DE LAS A
Antenas TraReceptora 120mm x 12
14
3.5mm
1.2mm
59mm x 25m
52mm
2.5mm
(a)
(b)
misora/receptora d
se calculan lfrecuencia d
nte (1), (2) y25×10-6 F y fr =
MASK
ANTENAS TX Y RXansmisora y
20mm
mm
de la vista interna
los valores dde resonancia y (4) se obti= 23.0480 MH
KAY
X
a (a) y
de la del
iene: Hz.
39
se10inve
imun
A.
pacopasislic1)
sudi10dedipo
9
A efectos de e encuentran s0mm y 100mtroducir distin
ersatilidad en aLos resultado
mplementaciónna comparació
Simulación Los resultad
artes. La primorriente superarámetros de dstema. El sofcencia de prue Corriente SuEn la Fig. 8
uperficie condustancias desd
0mm entre Txe energía a unastancia estab
osible de energ
III. RESULTA
medición tanseparados por
mm para evaluntos materialeaplicaciones pos se obtuviern del sistema,ón de los datos
os de la simera se centra rficial en lasdispersión – Sftware utilizadeba. uperficial se expone la
ductora en las de los 10mm x y Rx. Cada a frecuencia dlecida, es degía en cada un
(2
ADOS Y DISCUS
to el transmisun espacio deuar la eficienes entre ellas prácticas. ron mediante al final de la
s obtenidos.
mulación estánen la represen
s antenas y S, ambas defindo es CST Mic
a distribuciónantenas, las mhasta los 10
figura represede resonancia cecir, a la mána de las distan
(10mm)
20mm)
SIÓN sor como el ree aire variablencia del siste
para compro
la simulacióna sección se r
n divididos entación gráficala segunda e
nen la eficienccrowave Stud
n de corrientemismas que ab00mm en pasenta la transfecorrespondienáxima transfencias simulada
eceptor e entre ema al obar la
n y la realiza
en dos a de la en los cia del
dio con
en la barcan sos de erencia nte a la erencia as.
(3
(40
(5
30mm)
mm)
50mm)
MASK
KAY
40 0
(6
(7
(8
60mm)
70mm)
80mm)
Fig. 10mm
L10mpote20mnotapred8dBcorr
Cde ela trun duna sistepara
2)P
numde ltran
Ede mic
8. Distribución m a 100 mm
La más alta demm de distanencia recibido
mm, la densidar fácilmente dominante es
B. Entre 20mmriente superfic
Con distancias energía sostenransferencia. Fdrástico camb
cantidad máema tiende a ea distancias m
Parámetros SPara entender mérica, Snn, repla antena radiansmitida desdeEn la simulacióentrada (ante
crostrip radian
(90
(100
de corriente supe
ensidad de concia, lo cual concentrada e
dad de corrienen el área meel azul que c
m y 50mm, se cial con un efic
de 60mm a 8nible a pesar quFinalmente, a io en la densi
ás baja de coexperimentar u
mayores a 80mm
S los parámetropresenta la poadora, mientrae el puerto mth ón, el puerto
ena Tx) de pnte y el puerto
mm)
0mm)
erficial entre las a
orriente superfrefleja el m
en el área mednte decae levedia del disposcorresponde a
observa un pciente acople m0mm se obserue se nota un llos 90mm y 1
idad de corrienorriente, lo cuuna menor ganm.
os de dispersióotencia reflejadas que Snn, repr
al puerto nth. 1 está configu
potencia que o 2 actúa com
MASK
antenas a distanc
ficial se obsermás alto valodia de la anten
vemente, se psitivo que el cuna zona baj
atrón similar emagnético. rva un intercamligero descens100mm se obsnte superficialual indica qunancia de pote
ón – 𝒮 de mada en el puertresenta la pote
urado como puingresa al pa
mo puerto de sa
KAY
ias de
rva a or de na. A uede color ja de en la
mbio so en serva l con ue el encia
anera to nth encia
uerto arche alida
41
enRxa lfuinamS1re
capuen
1
n donde la pox). Si el valor los 0 dB, ento
unciona aproalámbricos so
mplificación e1 y S21 son ndimiento delEn la Fig. 9
antidad de eneuerto 2 – Rx) n valores porce
otencia es obde S11 es muy
onces significapiadamente on adecuadosn la implemenlos indicado
l sistema simu9 se presentanergía que saleen valores linentuales el ren
(1
(2
(3
tenida inalámy bajo y el vala que la antena
y los valos para alimenntación, por ta
ores clave en ulado. n los valores e desde el pueeales con el p
ndimiento del
10mm)
20mm)
30mm)
mbricamente (alor de S21 es cea radiante microres de recentar el circuial razón, los v la evaluació
de S21 (es deerto 1 – Tx hapropósito de cosistema.
antena ercano rostrip epción ito de
valores ón del
ecir la asta el onocer
(40
(50
(60
(70
mm)
mm)
mm)
mm)
MASKKAY
42
Figy 1
sim
difreecacefma l
2
g. 9. Resultados 100mm
Los resultadmulación se reDe la Tabla stancia de secuencia de recuación (1) y coplamiento cfectos de so
magnético se rela vez incide e
(8
(9
(1
simulados del si
dos de los paesumen en la T
a 2 se observseparación eesonancia varíen el cual de
con otra antenobre acoplamefleja en direccen un bajo por
80mm)
90mm)
00mm)
stema radiante pa
arámetros – Tabla 2. va que conforntre las antía hasta el valebería trabajarna. Se observ
miento, gran ción contraria rcentaje de efic
ara separaciones e
S obtenidos
rme se aumetenas radiantlor calculado r si no estuvi
va que a 10mparte del c
a la definida ciencia.
entre 10
de la
enta la tes su con la era en
mm por campo lo que
EFIC
Distasepar10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Puna se ddist
Een lque de –
Lacopmáxban
Sprop100efic
Fig.
B.S
sus únicTx, Rx.
Lsus Sub
CIENCIA DE SISTEM
ancia de ración (mm)
Por otra parte, eficiente tran
desprende quetancia aumentaEn referencia alas distancias existe un bue
– 3 dB que muLos resultadosplamiento sucximo en los 4da efectivo en
Se demuestra puesto transf
0mm de distanciencia del aco
10. Resultados si
ImplementaciSe utilizaron co
respectivos ccamente a la ese procedió d
Las antenas fabrespectivos
bMiniature ver
TABMA ACORDE A LA
DE LA SIMFrecuencia de Operación (MHz18.069 19.204 19.858 20.15 20.408 20.632 21.12 21.02 20.98 20.96
se evidencia nsferencia de ee el ancho dea. a la Fig. 10 lacomprendidas
en acoplamienuestra el rendims de la simucede entre los40mm, eficienntre los 20.15 M
mediante lafiere energía ncia entre las oplamiento.
mulados a distanc
ión onectores SMclaves coaxiaespira que conde la misma m
bricadas se mconectores c
rsion A (SMA)
BLA II DISTANCIA DE SE
MULACIÓN
z) S21
0.6415 0.7655 0.7607 0.7709 0.7700 0.6931 0.7749 0.8024 0.7509 0.6592
que entre 20menergía. Tambe banda dismi
as curvas de los entre 10mm nto en el sistemmiento del 50%ulación señals 20mm y 50ncia de 59.42MHz hasta losa simulación
inalámbricaantenas con
cias entre 10mm a
MA hembras paales. La señalnecta a las plamanera en el
muestran en la coaxiales de ).
MASK
EPARACIÓN OBTEN
Eficiencia sistema 𝜂41.15 58.59 57.86 59.42 59.29 48.03 60.04 64.38 56.38 43.45
mm y 50mm ebién de las gráinuye conform
os parámetrosy 100mm ind
ma, nótese la l% del sistemalan que el m0mm, con un % y un anchs 22.2 MHz.
n que el sistamente hasta
más del 40 %
a 100mm
ara las antenasl fuente se apacas capacitiva
caso de la an
Fig. 11 soldadradio frecue
KAY
NIDOS
del (%)
existe áficas me la
s – 𝒮 dican línea
a. mejor
pico ho de
tema los
% de
s con plicó as en ntena
das a encia
43
Fig
en
Fig
en
diredi
Di(m
10203040506070809010
enobdi
3
g. 11. Antenas im
Las tomas den la Fig. 12.
g. 12. Medición d
Los valores on comparación
La Tabla 3 mstancia sin obndimiento destancia con m
EFICIENCIA D
istancia mm)
Frectranmáx
15,7 16,9 17,5 17,9 18,1 18,3 18,5 18,6 18,70 18,7
En la Tabla 4ntre los resultabserva que la stancia.
mpresas en el sustr
e resultados de
de los valores de v
obtenidos resun con la simulamide la eficienbstáculos entrecae conforme
mejor transferen
TADEL SISTEMA ACO
IMPLEMcuencia de
nsferencia xima (MHZ) 7 9 5 9 1 3 5 6 7 7
4 y Fig. 14 seados del sistem
mayor tasa
rato FR4
el sistema de a
voltaje transmitido
ultaron ser menación. ncia del sistemre las antenase se aumentancia es a 10mm
ABLA III ORDE A LOS DATOMENTACIÓN
Vpp Rx (mV )
V(m
4240 13620 13400 13260 13160 13080 13060 12940 12700 12340 1
e expone la tasma simulado ede error suce
antenas se mu
os con un oscilosc
nores de lo esp
ma según se v, se observa
a la separacióm.
S TOMADOS DE LA
Vpp Tx mV)
Eficidel s
3500 31,43200 27,423200 25,763200 24,703100 24,122900 23,882800 23,92700 23,152600 21,432600 18,57
sa de error obe implementa
ede a los 10m
uestran
copio
perado
varía la que el
ón. La
A
iencia sistema
1% 2% 6% 0% 2% 8% 1% 5% 3% 7%
btenida do. Se
mm de
T
Dista(mm
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fig. impla la d
Pse pobstimpFig.
Fig. entre
Epérdmen30m
TASA DE ERROR PO
ancia m)
Frectranmed15,716,917,517,918,118,318,518,618,718,7
13. Comparativa lementación del sdistancia
Para comprobaprobó con vatáculos entre
plementación e. 15.
14. Medición de e las antenas
En las Tablasdida de eficiencionados a dmm y 100mm r
1516171819202122
10
Frec
uenc
ia (M
Hz)
Frecuenci
TABORCENTUAL DE LOcuencia de
nsferencia dida (MHZ) 7 9 5 9 1 3 5 6 7 7
de los datos sistema de antena
ar la versatilidarios tipos dee las antenaen proyectos p
la eficiencia del
s 5 y 6 se pencia del sistedistancias estarespectivamen
30 5Dist
a Medida (MHZ)
LA IV OS VALORES SIMU
Frecuencia de transferencia Simulada (MHZ18 19,2 19,8 20,1 20,4 20,6 21.12 21.02 20.98 20.96
obtenidos de as de la frecuencia
dad en la transe materiales as al represeprácticos com
sistema al usar p
presentan losema bajo los
ablecidas a crinte.
50 70tancia (mm)
Frecuenci
MASK
ULADOS VS MEDID
Z)
Porcentajeerror simu- medido14,65% 13,61% 13,14% 12,29% 12,71% 12,57% 14.16% 13.01% 12.19% 12.09%
la simulación a de resonancia a
smisión, el sistque sirven centar además
mo se expone e
poli estireno expa
resultados dparámetros a
iterio del auto
90
a Simulada (MHZ
KAY
DOS e de ulado
y la
acorde
tema como s la en la
andido
de la antes or de
Z)
44 MASKAY
TABLA V EFICIENCIA DEL SISTEMA A 30MM DE SEPARACIÓN CON DISTINTOS
MATERIALES ENTRE TX Y RX
Material Frecuencia de trabajo
Vpp Tx (mV)
Vpp Rx (mV) Sin Material
Vpp Rx (mV) Con Material
Pérdida
Aglomerado 17.5 13200 3300 3200 3.03% Plástico 17.5 13200 3300 3300 0.00% Madera 17.5 13200 3300 3080 6.67% Metal 17.5 13200 3300 80 97.58% Vidrio 17.5 13200 3300 3200 3.03% Poli estireno expandido 17.5 13200 3300 3300 0.00%
Tela 17.5 13200 3300 3240 1.82% Cartón 17.5 13200 3300 3300 0.00%
TABLA VI
EFICIENCIA DEL SISTEMA A 100MM DE SEPARACIÓN CON DISTINTOS MATERIALES ENTRE TX Y RX
Material Frecuencia de trabajo
Vpp Tx (mV)
Vpp Rx (mV) Sin Material
Vpp Rx (mV) Con Material
Pérdida
Aglomerado 18.7 12600 2340 2300 1.71% Plástico 18.7 12600 2340 2340 0.00% Madera 18.7 12600 2340 2300 1.71% Metal 18.7 12600 2340 640 72.65% Vidrio 18.7 12600 2340 2300 1.71% Poli estireno expandido 18.7 12600 2340 2340 0.00%
Tela 18.7 12600 2340 2320 0.85% Cartón 18.7 12600 2340 2340 0.00%
Se observa que, con materiales como el aglomerado, plástico, vidrio, poli estireno expandido y tela, la eficiencia sufre mínimas perdidas y logra transmitir la energía inalámbrica sin problema alguno.
En el caso de la madera se observa una baja en el rendimiento del 6.67% que se debe tomar en cuenta para la implementación del sistema en un mueble de este material para no tener pérdidas indeseables en el lado del receptor. Por otra parte, al utilizar metal como obstáculo se obtiene una pérdida total de la transmisión.
IV. CONCLUSIONES Se construyó un sistema que permite la transmisión
inalámbrica de energía eléctrica al usar placas FR4 de fácil adquisición como antenas, además del uso de integrados MMIC para la fuente de energía y diodos Schottky para la rectificación y amplificación de la señal transmitida. Se evidencia que, en el sistema a menor distancia de separación entre las antenas existe una mejor eficiencia, al comprobar que, a una separación de 10mm se obtiene un rendimiento del 31.41% del voltaje transmitido, con lo que decae al 18.57% a una separación de 100mm. Mediante la simulación, se observó que al variar aspectos en el material dieléctrico como el espesor o la permitividad eléctrica se puede crear antenas con un tamaño más reducido que el propuesto, debido a que mejores valores de permitividad eléctrica del sustrato mejoran la calidad de transferencia eléctrica con menor cantidad del material. Se determinó que la distancia óptima de funcionamiento del sistema sin obstáculos comprende desde
los 10mm hasta los 50mm con un valor promedio de recepción de 26.68% del voltaje transmitido. La mayor aportación del proyecto se centra en la versatilidad que provee el sistema, porque, al incorporar la antena transmisora a una surtida cantidad de mobiliario se facilita la carga eléctrica de gadgets de baja potencia con un simple acercamiento.
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