Revision: A Microwave Power Transmission System Using Sequential Phase Ring Antenna and Inverted Class F Rectenna

Presenta un sistema MPT basado en un rectificador de clase F invertida (F−1 ).  Su estructura usa un antena transmisora (Tx) de polarización circular izquierda (LHCP) basada en un divisor de rotación de fase secuencial (SPR) con una matriz de 2 × 2 con una ganancia máxima LHCP de 11,85 dBi a 5,8 GHz. El receptor está compuesto por una antena receptora LHCP (Rx) y un rectificador de microondas F-1 .  Utiliza la red de procesamiento de armónicos de clase F-1 en la carga del rectificador, evitando usar filtro CC, logra una PTE máxima del 8,8% en la carga múltiple de dispositivos hasta 200 mm.

En este artículo se propone un sistema WPT de microondas eficiente para cargar múltiples dispositivos a largas distancias empleando una antena CP Tx compacta con alta directividad y un rectificador F−1 de alta eficiencia de conversión a 5,8 GHz. El análisis teórico muestra que el Tx propuesto puede lograr una alta concentración de energía hacia la antena Rx. Además, el rectificador está conectado detrás de la antena Rx de gran ancho de haz para lograr una rectenna simple y compacta para recolectar ondas EM y reducir las pérdidas por desalineación. El sistema general se verificó con distancias que variaban de 60 a 200 mm. La eficiencia PTE máxima alcanzable fue del 8,8% y la energía se recibió dentro de un área con un radio de 60 mm. En general, el sistema propuesto es adecuado para la alimentación simultánea de muchos dispositivos de baja potencia.

Para realizar la región de potencia radiada del Tx, se propone un Rx con un ancho de haz amplio para minimizar la pérdida de distancia, que tiene un ancho de haz de relación axial (AR) de 3 dB de 165,55 ◦ y 175,17 ◦ en los planos xz e yz , respectivamente. Además, para mejorar la eficiencia de conversión de RF a CC (η), se utiliza la red de procesamiento de armónicos de clase F-1 en la carga del rectificador que puede procesar las formas de onda de voltaje y corriente sin usar un filtro de paso de CC. El circuito rectificador F-1 propuesto ocupa un área compacta de 15,3 × 12,7 mm2 y exhibe un η promedio del 50% para el rango de potencia de entrada de 4 a 20 dBm con una eficiencia máxima del 77,9% a 18 dBm. En general, los resultados experimentales muestran que nuestro sistema propuesto logra una eficiencia de transmisión de energía (PTE) máxima del 8,8% para cargar de forma inalámbrica múltiples dispositivos de bajo consumo a una distancia de 60-200 mm

Aportes al Diseño de Sistemas WPT

El sistema WPT (Wireless Power Transmission) desarrollado en el artículo aporta un enfoque eficiente para la transmisión de energía a largas distancias utilizando un sistema de antenas con polarización circular y un rectificador de clase F invertida. Este diseño optimiza la eficiencia de conversión de RF a DC, crucial para aplicaciones de carga inalámbrica, minimizando las pérdidas por desalineación y maximizando la directividad de la antena.

Estructura del Sistema

El sistema se compone de un transmisor (Tx) que incorpora una antena de anillo de fase secuencial y un receptor (Rx) con una antena de polarización circular acoplada a un rectificador de clase F invertida. La antena Tx está diseñada para ser compacta y de alta ganancia, mientras que la Rx está optimizada para recibir señales con un amplio ancho de haz axial, mejorando la eficiencia de la transferencia de energía.

Funcionamiento del Sistema (Fases)

1. Generación y Emisión de Señal: La antena Tx genera una señal de microondas que es emitida con alta directividad hacia la Rx.
2. Recepción de la Señal: La antena Rx capta la señal y, mediante su diseño de amplio haz axial, minimiza la pérdida de energía.
3. Conversión de Energía: El rectificador de clase F invertida convierte la señal de RF recibida en energía DC para cargar dispositivos.

Hardware Destacado

El hardware clave incluye la antena Tx de anillo de fase secuencial, que proporciona una alta directividad, y el rectificador de clase F invertida, que logra una alta eficiencia de conversión RF-DC. La antena Rx, diseñada para minimizar la desalineación, también es crítica para el rendimiento del sistema.

Parámetros Logrados

El sistema alcanza una eficiencia de transmisión de potencia máxima del 8.8% a una distancia de 200 mm y logra una eficiencia de conversión de RF a DC de hasta el 77.9%. Estas cifras son significativas para aplicaciones de carga inalámbrica a largas distancias.

Metodología

La metodología incluye el diseño y la simulación de las antenas y del rectificador, seguidos de pruebas experimentales para validar el rendimiento en condiciones reales, ajustando la configuración para maximizar la eficiencia del sistema.

Resultados Condensados

Los resultados muestran que el sistema puede transmitir energía eficientemente a una distancia de hasta 200 mm, con una máxima eficiencia de 8.8% y un voltaje de salida de 5.876 V. La antena Tx presenta un alto grado de directividad y la Rx una buena capacidad para captar señales sin perder energía debido a la desalineación.

Conceptos Teóricos Explicados

Entre los conceptos teóricos abordados en el artículo se incluyen: polarización circular, eficiencia de conversión RF-DC, redes de procesamiento armónico de clase F invertida, y diseño de antenas de alta directividad.

Aplicaciones de la WPT

El sistema WPT está destinado principalmente a aplicaciones de carga inalámbrica para dispositivos de baja potencia, como sensores IoT y dispositivos portátiles, permitiendo la carga simultánea de múltiples dispositivos dentro de una región específica de energía.

Bibliografia

[1] D. M. Nguyen, N. D. Au, and C. Seo, “A microwave power transmission system using sequential phase ring antenna and inverted class f rectenna,” IEEE Access, vol. 9, pp. 134 163–134 173, 2021. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3115762

Ciclo de Trabajo (D)

El ciclo de trabajo $D$

$D$ es un término común en electrónica de potencia y sistemas de control de pulsos. Se refiere a la fracción de tiempo en que un interruptor (como un transistor en un convertidor de potencia) está "encendido" durante un período de conmutación. Se define matemáticamente como:

$D = \frac{t_{\text{on}}}{T}$

donde:

• $t_{\text{on}}$ es el tiempo durante el cual el interruptor está encendido.
• $T$ es el período total del ciclo de conmutación.

Aplicación en el Sistema Propuesto

En el contexto del sistema propuesto [1] para la transferencia de potencia por láser:

1. Ciclo de Trabajo del Láser (LD): El ciclo de trabajo $D$ del láser se refiere a la proporción del tiempo durante el cual el láser está activo (emitiendo luz) en comparación con el tiempo total del ciclo de operación.
2. Control Dinámico del Ciclo de Trabajo: El sistema ajusta dinámicamente $D$ para optimizar la eficiencia. Un ciclo de trabajo menor significa que el láser está encendido por un menor tiempo en cada ciclo, lo cual puede ser ajustado para mejorar la eficiencia energética del sistema.
3. Búsqueda del Ciclo de Trabajo Óptimo: El algoritmo propuesto ajusta $D$ continuamente para encontrar el valor que maximiza la eficiencia del sistema. Este proceso de ajuste dinámico es parte integral del sistema de control en circuito cerrado.

Beneficios del Control en Circuito Cerrado y del Ciclo de Trabajo Óptimo

1. Adaptabilidad: Un sistema en circuito cerrado puede adaptarse a cambios en las condiciones operativas, manteniendo la eficiencia óptima bajo diferentes cargas y fluctuaciones de energía.
2. Eficiencia Mejorada: Al ajustar dinámicamente el ciclo de trabajo, el sistema puede operar cerca de su punto de máxima eficiencia, minimizando las pérdidas de energía.
3. Estabilidad y Precisión: El control en circuito cerrado ofrece una mayor estabilidad y precisión en el manejo de la energía, ajustando parámetros en tiempo real para responder a cambios instantáneos en el sistema. 

Bibliografia 

W. Zhou and K. Jin, “Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 10, pp. 2096–2105, Aug. 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2019.1372.

Circuito Cerrado vs. Circuito Abierto

 

Circuito Abierto

En diferentes trabajos de LPT, los sistemas de transferencia de potencia inalámbrica por láser (WPT) funcionaban en un circuito abierto. Esto significa que no hay un control continuo y retroalimentado del sistema. Los parámetros, como la corriente de entrada del láser, se configuran de manera estática y no se ajustan automáticamente en respuesta a cambios en las condiciones del sistema, como variaciones en la carga o fluctuaciones en el suministro de energía. [1]

Circuito Cerrado

En contraste, el sistema propuesto en el artículo [1] opera en un circuito cerrado. Esto implica la inclusión de un sistema de control que monitorea continuamente el estado del sistema y ajusta los parámetros en tiempo real para optimizar el rendimiento. Un sistema de control de circuito cerrado generalmente incluye sensores que recogen datos sobre el rendimiento actual del sistema y un controlador que procesa estos datos y ajusta los parámetros del sistema en consecuencia. [1]

En este caso, el circuito cerrado incluye un controlador de bucle dual (interno y externo). El lazo interno controla la corriente de entrada del láser, mientras que el lazo externo optimiza la eficiencia del sistema ajustando el ciclo de trabajo. [1]

 Bibliografia

[1]W. Zhou and K. Jin, “Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 10, pp. 2096–2105, Aug. 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2019.1372.

Revision: Modeling of Capacitive Resonant Wireless

Un sistema WPT de acoplamiento capacitivo resonante (RCC) para implantes cerebrales logra una eficiencia de 24,2\% para acoplamiento capacitivo y 42,21\% para acoplamiento capacitivo resonante. Usa un amplificador de potencia de clase E para generar energia, transmisión mediante placas capacitivas, resonancia y modulación de datos mediante ASK usa transistores como el BC547, Opera a 6,78 MHz con una potencia de 5 W , medido por un DSO de dos canales Keysight. Integra la plataforma IoT ThingSpeak con el controlador SP-12E Development KG164.

El diseño de sistemas de Transferencia de Energía Inalámbrica (WPT), en el contexto de aplicaciones biomédicas, aporta mejoras significativas en la eficiencia de transferencia de energía a dispositivos implantables, como sensores intracraneales. El sistema propuesto utiliza una estructura de acoplamiento capacitivo resonante (RCC) con una capa intermedia (RCCI), optimizando la tasa de absorción específica (SAR) y minimizando las pérdidas de energía por los tejidos. El sistema funciona en varias fases: generación de energía a través de un amplificador de potencia de clase E, transmisión mediante placas capacitivas, resonancia y modulación de datos mediante ASK.

El hardware clave incluye transistores como el BC547, un amplificador de clase E, y el ESP-12E Development KG164, que facilita la integración con la plataforma IoT ThingSpeak para el registro en la nube. Los parámetros logrados incluyen eficiencias de transferencia energética de hasta 42.21% en configuraciones RCCI. En cuanto al diseño, es crucial considerar la seguridad de los tejidos, la capacidad de modulación de datos, y las propiedades electromagnéticas de los materiales involucrados.

La metodología empleada incluye análisis teóricos, modelado por elementos finitos, y pruebas experimentales con simulaciones en tejidos humanos y porcinos. Los resultados demostraron que la configuración RCCI es la más eficiente, pero su implementación se limita a distancias cortas, lo que la hace adecuada principalmente para aplicaciones médicas. Los conceptos teóricos incluyen acoplamiento resonante, modulación ASK, y eficiencia de transferencia de energía. El sistema está destinado a dispositivos biomédicos implantables, siendo su principal aplicación la monitorización intracraneal.

propone un enfoque de acoplamiento capacitivo resonante (RCC) 

 Se realizan simulaciones de elementos finitos para estimar la distribución del campo eléctrico, la variación de la temperatura y la variación de la SAR en el tejido de la cabeza humana

Mension de diferentes técnicas: transferencia de potencia ultrasónica, el método termoiónico, el acoplamiento resonante inductivo (IRC) y el acoplamiento capacitivo 

En enlace capacitivo para transferir datos

Aporte

comparativa de enfoques CC, RCC y RCC con placa intermedia (RCCI), respectivamente.

para eliminar el uso de la antena para la transferencia de datos, se utilizan las mismas placas capacitivas y se prueban con la técnica de modulación por desplazamiento de fase de amplitud (ASK) para la comunicación de enlace ascendente. 

Con base en la simulación observada y los resultados experimentales, el método propuesto puede proporcionar una solución alternativa para la transferencia inalámbrica de energía y datos a implantes profundos como el sensor ICP con la fácil interconexión de IoT.

Teoria

 Los sensores implantables neuronales requieren una técnica de transferencia de energía inalámbrica sostenible e inocua para su funcionamiento durante toda su vida útil. 

El método de transferencia de energía acoplado capacitivamente (CC) ha demostrado inducir una interferencia electromagnética mínima en comparación con la transferencia de energía resonante inductiva.

 Sin embargo, el método CC sufre la limitación de una baja eficiencia de transferencia de energía (PTE) y solo es adecuado para aplicaciones de transferencia de energía a corta distancia.

nvestiga con la capacitancia de placa intermedia adicional entre el transmisor (Tx) y el receptor (Rx). Se llevan a cabo estudios analíticos y experimentales para la aplicación del sensor de presión intracraneal (ICP) y 

Uso

para la transferencia de energía inalámbrica a implantes cerebrales

En las prácticas de monitoreo de la salud física, los implantes profundos requieren una PTE alta con una interferencia electromagnética mínima.

Los dispositivos biomédicos MPLANTABLES 

Funcionamiento

Diagrama de bloques funcional del sistema RCC con transferencia de datos

Los datos medidos deben transmitirse al mundo externo para el monitoreo y análisis remotos. Sin embargo, las restricciones de tamaño y seguridad limitan la interfaz directa del módulo de comunicación de datos con los implantes. 

El sistema propuesto también está integrado con el módulo de Internet de las cosas (IoT) para la monitorización remota y los análisis de la salud del paciente.

Parámetros

La unidad fuente consta de un amplificador de potencia de clase E de alta frecuencia, un circuito resonante y una capacitancia del lado del transmisor (Tx). El amplificador de potencia de clase E se utiliza para proporcionar suministro de alta frecuencia al lado del transmisor con una eficiencia superior al 90% para una frecuencia de funcionamiento de unos pocos kilohercios a unos pocos megahercios

. Además, para mejorar aún más la PTE, el modelo propuesto se ise obtiene una PTE de 24,2%, 34,14% y 42,21% para los enfoques CC, RCC y RCC con placa intermedia (RCCI), respectivamente.

Se ha investigado el modelado y análisis de los métodos CC, RCC y RCCI para la alimentación inalámbrica del sensor ICP.

 El método RCC/RCCI propuesto proporciona una mejor PTE con una distorsión mínima del campo eléctrico en el tejido.

.Las investigaciones experimentales se llevan a cabo bajo un nivel de presión de 10 mmHg y una temperatura de 37,0 °C, 

 la frecuencia de operación del sistema debe estar entre 1 y 20 MHz para cumplir con la normativa de seguridad humana

Configuración de medición del sistema CC con tejido de cerdo.

Bibliografia

R. Narayanamoorthi, “Modeling of Capacitive Resonant Wireless Power and Data Transfer to Deep Biomedical Implants,” IEEE Trans Compon Packaging Manuf Technol, vol. 9, no. 7, pp. 1253–1263, Jul. 2019, doi: 10.1109/TCPMT.2019.2922046.

Revision: Analysis and Design of Inductive and Capacitive Hybrid Wireless Power Transfer System for Railway Application

 Se propone un sistema híbrido inductivo y capacitivo HWPT , con una potencia de entrada de 745 W y una salida de 653 W con una eficiencia del 87,7\%, trabajando a 1 MHz , el sistema IPT con compensación SS y el sistema CPT con compensación LC de doble cara se combinan. 

propone un sistema híbrido de transferencia de energía inalámbrica (HWPT) inductivo y capacitivo para mejorar la capacidad antidesalineación del acoplador del sistema. 

Con la teoría de superposición se analiza en detalle el sistema propuesto. Luego se diseña un sistema a escala. Para verificar el rendimiento del sistema HWPT propuesto, se organiza un experimento.

Otros ejemplos de WPT inductiva y capacitiva

Este artículo es una extensión de un trabajo previo

La Sección II describe el análisis detallado del sistema HWPT propuesto con el teorema de superposición.

Modelo de circuito equivalente 

s ecuaciones para describir C

 En la Sección III se diseña un ejemplo del sistema HWPT.

 La Sección IV presenta la configuración experimental y los resultados medidos. 

Finalmente, las conclusiones se extraen en la Sección V.

. 

Uso 

Aplicaciones ferroviarias 

Teoria

 El sistema IPT necesita un condensador para compensar el sistema

 el sistema CPT requiere un inductor para sintonizar el sistema.

 Por lo tanto, el acoplador IPT se puede utilizar para compensar el acoplador CPT y viceversa.

Funcionamiento

Los acopladores de IPT y CPT se emplean juntos para compensarse entre sí y transferir energía juntos. 

, el sistema IPT con compensación SS y el sistema CPT con compensación LC de doble cara se combinan en un sistema híbrido para aplicaciones ferroviarias. El sistema HWPT propuesto puede mejorar efectivamente la capacidad antidesalineación con canales de transferencia IPT y CPT en comparación con el sistema único acoplado IPT y CPT. La estructura y los principios de funcionamiento del sistema HWPT se presentan en detalle. Se diseña un sistema de reducción de escala para validar el método propuesto

Proceso de diseño del sistema HWPT propuesto.

Estructura

. Sistema HWPT propuesto para aplicaciones ferroviarias.

se utiliza un inversor de puente completo en el lado primario para proporcionar una excitación de CA para la red de compensación, y un rectificador de puente completo se utiliza en el lado secundario para proporcionar CC a la fuente de salida. La topología de compensación del circuito es similar a la topología de compensación LC doble 

 excepto que se utilizan bobinas de acoplamiento inductivo LP y LS entre el inductor de compensación L1 y L2 y el acoplador capacitivo tanto en el lado del transmisor como en el del receptor. Para el sistema CPT, normalmente se requieren cuatro placas para formar dos canales de transferencia. En el sistema ferroviario, el tren suele estar conectado a las vías a través de ruedas metálicas. Puede formar una ruta de retorno de corriente natural

Parametros

 el sistema HWPT propuesto puede alcanzar una potencia de salida de 653 W con una eficiencia CC-CC del 87,7 % en condiciones bien alineadas, y la variación máxima de la potencia de salida es del 8,3 % con una desalineación del acoplador de 0 a 270 mm (ancho medio). del acoplador), que concuerdan bien con los resultados del análisis.

En la misma condición de desalineación, solo se prueban los sistemas acoplados IPT y CPT, y los resultados experimentales muestran que la variación máxima de la potencia de salida del IPT o CPT monoacoplado es 232% y 33%, por separado. 

, la frecuencia de operacion del sistema HWPT se fija en 1 MHz

a placa transmisora P2 y la placa receptora P3 están hechas de placas cuadradas de aluminio del mismo tamaño de 500 × 500 mm. Se utilizan dos placas de aluminio más grandes, de 600 × 600 mm, para simular el vehículo P1 y el suelo P4. El espesor de todas las placas es de 1 mm. El diámetro interior de las bobinas de acoplamiento es de 510 mm

El alambre Litz se utiliza para modelar las ruedas que conectan P1 y P4 directamente. Los condensadores externos Cex1 y Cex2 son ambos de 183 pF. Dado que el área opuesta entre las bobinas y las placas es pequeña y la distancia d2 entre ellas es de 20 mm, las capacitancias parásitas entre ellas se desprecian.

Bibliografia

B. Luo, T. Long, L. Guo, R. Dai, R. Mai, and Z. He, “Analysis and Design of Inductive and Capacitive Hybrid Wireless Power Transfer System for Railway Application,” in IEEE Transactions on Industry Applications, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., May 2020, pp. 3034–3042. doi: 10.1109/TIA.2020.2979110.

Revision: A Simultaneous Wireless Power and Data Transmission Method for Multi-Output WPT Systems: Analysis, Design, and Experimental Verification

 El WPDT es presentado para sistemas de múltiples salidas usa dos bobinas unipolares con núcleos de ferrita y una placa de aluminio, transfiriendo datos con bobinas bipolares superpuestas. Transfiere 180 W con una eficiencia del 90\% y una velocidad de datos de 19,2 kb/s a 20 mm de distancia

Esto de aqui no es

El sistema SWPDT de multiples salidas presentado utiliza una topología de compensación LCC de doble cara y transformadores de inyección/extracción, capacitores resonantes y controladores de modulación FSK. Opera a 85 kHz para energía y 1.5/16.5 MHz para datos, alcanzando una eficiencia del 90,5\% y una velocidad de datos de 150 kbps 

El diseño de sistemas de Transferencia Inalámbrica de Energía (WPT) aporta eficiencia en la transmisión de energía sin cables, resolviendo problemas de alineación y distancia. Los sistemas suelen estructurarse en una topología de compensación inductiva, como la topología LCC, que mejora la estabilidad y la transferencia simultánea de energía y datos. 

Su funcionamiento consta de fases clave: modulación, inyección de señal, transferencia a través de acoplamiento inductivo y extracción de datos o energía

. Hardware crítico incluye transformadores de inyección/extracción, capacitores resonantes y controladores de modulación FSK. Se logran parámetros notables como una eficiencia energética del 90.5%, una tasa de transferencia de datos de 150 kbps, y una alta relación señal/ruido de 47 dB. En el diseño es clave optimizar el acoplamiento y minimizar la interferencia. La metodología usada incluyó modelado y prototipos experimentales para validar el rendimiento.

Resultados Condensados: Se alcanzó una eficiencia de transferencia del 90.5% con alta robustez ante desalineaciones. La tasa de transferencia de datos fue estable a 150 kbps, incluso con un acoplamiento reducido en un 95.3%. El sistema demostró alta inmunidad al ruido y una relación señal/ruido destacada.

Conceptos Teóricos Explicados: Modulación por Desplazamiento de Frecuencia (FSK), Topología de Compensación LCC, Relación Señal/Ruido (SNR), Acoplamiento Inductivo.

Aplicaciones de WPT: Los sistemas WPT están destinados a aplicaciones como la carga inalámbrica de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos, y la transmisión de datos en sistemas integrados con monitoreo remoto y control industrial.

se propone un método de transmisión simultánea de potencia y datos para sistemas de transferencia de potencia inalámbrica (WPT) de múltiples salidas

excusa

 rendimiento de control satisfactorio.

E+

Estructura

. Una unidad intermedia, formada por dos bobinas unipolares con núcleos de ferrita y una placa de aluminio en el medio para mejorar el acoplamiento mutuo y dar forma al área de acoplamiento, no solo puede transferir potencia a unidades adyacentes, sino que también puede suministrar potencia a cargas locales. 

Funcionamiento

Por lo tanto, se pueden lograr múltiples salidas. Luego, se utilizan bobinas bipolares, colocadas en superposición con las bobinas de transferencia de potencia del mismo lado para formar una estructura compacta y simétrica, para transferir datos. Dichas bobinas de transferencia de datos están desacopladas naturalmente con las bobinas de transferencia de potencia, lo que conduce a un diseño sencillo del circuito de procesamiento de datos. Además, los datos se pueden transferir entre unidades de circuito adyacentes, lo que facilita el monitoreo y control de todas las salidas. La viabilidad de la estructura de acoplamiento propuesta y la transmisión paralela de potencia y datos se verifican en un prototipo de laboratorio con dos voltajes de salida, y la distancia de transferencia es de 20 mm mientras que la potencia de salida es de 180 W. La eficiencia del sistema alcanza el 90% y la velocidad de transferencia de datos es de 19,2 kb/s.

Se propone un método de transmisión en paralelo de potencia y datos basado en una estructura de acoplamiento desacoplada para sistemas WPT de salida de múltiples voltajes. Se utilizan un núcleo de ferrita y una placa de aluminio para mejorar el acoplamiento mutuo y dar forma al área de acoplamiento, respectivamente. Se emplean bobinas bipolares para transferir datos. Están desacopladas naturalmente con las bobinas de transferencia de potencia, de modo que el diseño del circuito de procesamiento de datos es sencillo. Los datos se pueden transferir entre las unidades adyacentes, lo que permite un fácil monitoreo y control desde el lado del transmisor para las salidas. Se construye un prototipo experimental para verificar la viabilidad de la estructura de acoplamiento propuesta y la transmisión en paralelo de potencia y datos. Se obtienen dos voltajes de salida constantes basados ​​en el controlador de bucle cerrado formado por el canal de transferencia de datos. La eficiencia del sistema alcanza el 90% y la velocidad de transferencia de datos es de 19,2 kb/s.

Topología del circuito de transferencia de potencia y datos; (b) Circuito del rectificador de puente completo no controlado []

Configuración experimental []

(a) Circuito de procesamiento de datos del lado del transmisor; (b) Circuito de procesamiento de datos del lado del receptor.

El primer modo transmite energía por la portadora “0”, el segundo modo transmite energía por la portadora “1”, los modos restantes son modos WPIT quen la señal de datos estándar de “010101…” a diferentes velocidades de

Parametros

 este prototipo, las bobinas de enlace son una bobina inductora paralela del circuito primario (bobina TX) y una bobina inductora en serie del circuito secundario (bobina RX) y son bobinas planas enrolladas con un cable litz de cobre AWG-38 de 600 hilos. El número de vueltas de la bobina TX es 2 y su radio medio es 110 mm. El número de vueltas de la bobina RX es 10 y su radio interior es de 75 mm, el radio exterior es de 110 mm. El inductor en serie del circuito primario está hecho de una bobina espiral con núcleo de aire de 28 vueltas y el inductor paralelo del circuito secundario está hecho de una bobina espiral con núcleo de aire de 5 vueltas, ambas bobinas están enrolladas con alambre y bobina de cobre litz AWG-38 de 300 hilos. El radio es de 25 mm. La fuerza electromotriz de la fuente de alimentación es de 5 V y la resistencia interna del inversor de puente completo es de aproxi

 podría garantizar una velocidad de datos de hasta 20 kbps y una eficiencia de transferencia de energía de más del 85 % a una distancia de 50 mm, que son superiores al rendimiento de los sistemas 2FSK-WPIT convencional

Bibliografia

[1] Y. Li, X. Li, and X. Dai, “A Simultaneous Wireless Power and Data Transmission Method for Multi-Output WPT Systems: Analysis, Design, and Experimental Verification,” IEEE Access, vol. 8, pp. 206353–206359, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3035574.

Revision: A Wireless Power and Information Simultaneous Transfer Technology based on 2FSK Modulation Using the Dual Bands of Series-Parallel Combined Resonant Circuit

Un sistema de bandas duales de circuito resonante combinado en serie-paralelo SPRC-2FSK-WPIT que emplea bandas resonantes duales de SPRC muestra una velocidad de transmisión de hasta 20 kbps y una eficiencia superior al 85\% a 50 mm de distancia. El prototipo utiliza 6 W a 351 KHz

 

 se propone una nueva tecnología inalámbrica de transferencia simultánea de energía e información (WPIT) basada en modulación 2FSK utilizando bandas duales de circuito resonante combinado en serie-paralelo (SPRC)

Ventajs y desventajas de los metodos de WPDT 

. COMPARACIÓN DE RENDIMIENTO DEL SPRC-2FSK-WPIT PROPUESTO g TECNOLOGÍA Y TECNOLOGÍA CONVENCIONAL 2FSK-WPI

MAtematicas del factor de calidad

Matematicas de a y la distancia máxima de transferencia de potencia d se determinan mediante las siguientes ecuacion

Usos

vehículos, dispositivos biomédicos implantados y productos electrónicos de consumos

Funcionamiento

el sistema emplea bandas resonantes duales de SPRC y ambas portadoras del sistema usan las frecuencias resonantes, por lo que se eliminan las desventajas de la tecnología 2FSKWPIT convencional. Se lleva a cabo el diseño óptimo del sistema SPRC-2FSKWPIT. 

  Arquitectura del sistema SPRC-2FSK-WPIT (topología SP-SP)

ajo 2 Este sistema funciona en el modo de modulación 2FSK, y las dos portadoras de frecuencia resonante transportan potencia e información simultáneamente. El modulador de frecuencia en el lado TX modula la señal de datos en una señal de onda cuadrada cuya frecuencia se selecciona entre las dos frecuencias resonantes de SPRC según el tipo de señal de datos; por ejemplo, la señal de datos "0" es entregada por la portadora de frecuencia resonante de banda inferior y la señal de datos "1" es entregada por la portadora de frecuencia resonante de banda superior. El inversor es controlado por el modulador a través de los terminales S1 y S2 y produce las portadoras de transmisión con las frecuencias de la onda cuadrada del modulador. En el lado RX, se conecta un demodulador de frecuencia a los terminales de carga. El demodulador demodula la señal portadora recibida y obtiene los datos de comunicación originales del lado TX, y la potencia transmitida se consume en l
ones. En este sistema, las dos portadoras mantienen las mismas amplitudes de voltaje, por lo que la potencia de transmisión es estable independientemente del tipo de señal de datos. Y ambas frecuencias portadoras son frecuencias resonantes, por lo que se garantiza la máxima eficiencia energética. Y como se puede ver en la Fig. 6, el sistema no necesita ningún equipo adicional y su configuración es sen

e El sistema WPIT propuesto utiliza el método 2FSK en la comunicación, por lo que la velocidad de datos de comunicación ( DR ) 

Estructura

7. El prototipo experimental. 1 - bobina TX (inductor paralelo del circuito primario), 2 - bobina RX (inductor en serie del circuito secundario), 3, 4, 5 - condensador en paralelo, inductor en serie, condensador en serie del circuito primario, respectivamente, 6, 7, 8 - condensador en serie, inductor paralelo, condensador paralelo del circuito secundario, respectivamente, 9 - inversor, 10 - fuente de alimentación de CC, 11 - carga, 12 - demodula

Aportes

 1) El sistema SPRC-2FSK-WPIT podría tener una mayor eficiencia energética en comparación con el sistema 2FSK-WPIT convencional, ya que sus dos portadoras podrían mantener el estado de máxima eficiencia utilizando las frecuencias resonantes de las bandas duales de SPRC.

2) El sistema SPRC-2FSK-WPIT podría tener un alto factor de calidad ya que no necesita bandas anchas, por lo que podría garantizarse un alto rendimiento de transferencia de potencia.

 3) En el sistema SPRC-2FSK-WPIT optimizado, podría garantizarse una potencia de transferencia estable independientemente del tipo de señal de datos, ya que las dos portadoras de este sistema mantienen características de transferencia de potencia similares.

Parametros

. El prototipo experimental muestra una velocidad de comunicación de hasta 20 kbps manteniendo la eficiencia de transferencia de energía por encima del 85 % a una distancia de 50 mm. 

Bibliografia

[1] J. G. Kim, G. Wei, M. H. Kim, H. S. Ryo, and C. Zhu, “A Wireless Power and Information Simultaneous Transfer Technology Based on 2FSK Modulation Using the Dual Bands of Series-Parallel Combined Resonant Circuit,” IEEE Trans Power Electron, vol. 34, no. 3, pp. 2956–2965, Mar. 2019, doi: 10.1109/TPEL.2018.2847044.

Revision: Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer A Battery-less Platform for the Internet of Underwater Things

Un nodo sensor submarino recargable inalámbricamente por ondas ultrasónicas restaura 1W de potencia a 1 metro en 5 minutos, usando una viga compuesta piezoeléctrica de  y una placa Teensy 3.6 para la comunicación, su estructura montada en PCB incluye el amplificador operacional AD826, El mesclador AD633 y preamplificador AD8338. Se diseño para transportar energía a un módem submarino remoto, lo que permite una plataforma sin batería y alimentada de forma inalámbrica para IoUT. El uso de supercondensadores, sustituye a las baterías tradicionales o recargables.

Aportaciones al diseño de sistemas WPT

Este sistema aporta una solución innovadora para la recarga remota de nodos submarinos mediante ultrasonidos, eliminando la dependencia de baterías y ampliando la distancia de operación con menor pérdida de energía. Utiliza un solo transductor para la comunicación y carga, optimizando espacio, peso y costos.

Estructura del sistema

El sistema consta de un transductor ultrasónico, supercapacitores para almacenamiento de energía, una placa Teensy para la gestión del nodo, y un USRP para la transmisión y recepción de señales. Estos componentes se integran para realizar la transferencia de energía y comunicación simultáneamente.

Funcionamiento (Fases)

1. Captación de energía ultrasónica: El transductor convierte las ondas ultrasónicas en energía eléctrica.
2. Almacenamiento: La energía se almacena en supercapacitores en lugar de baterías.
3. Transmisión de datos: Simultáneamente, el mismo transductor se emplea para la comunicación entre nodos.
4. Gestión de energía: La placa Teensy controla el proceso de recarga y comunicación.

Hardware clave

Los componentes clave incluyen el transductor ultrasónico, los supercapacitores, la placa Teensy y el USRP, todos trabajando en conjunto para asegurar una comunicación eficiente y transferencia de energía.

Parámetros logrados

El sistema logra restaurar 1 W de potencia en 5 minutos a una distancia de 1 metro, con una eficiencia destacada frente a alternativas de acoplamiento electromagnético.

Información relevante de diseño

Es crucial seleccionar un transductor que equilibre eficiencia y tamaño, además de optimizar la red de adaptación para maximizar la transferencia de energía. La configuración de los supercapacitores y su relación con el nodo también son esenciales.

Metodología

El sistema fue evaluado experimentalmente, comparando la eficiencia de la transferencia de energía ultrasónica con otras tecnologías (como el acoplamiento electromagnético), realizando mediciones a distintas distancias y potencias.

Resultados condensados

El prototipo demostró una transferencia eficiente de energía y comunicación a través de ultrasonidos, logrando una restauración de energía rápida en distancias mayores a las cubiertas por tecnologías tradicionales. La plataforma sin batería es viable y aplicable para el IoUT, con mejoras en costos y mantenimiento.

Conceptos teóricos explicados

Entre los conceptos clave se explican la transferencia de energía inalámbrica (WPT), la propagación de ondas ultrasónicas, la atenuación en medios acuosos, y la eficiencia de conversión de energía en supercapacitores.

Aplicaciones mencionadas

El sistema WPT está destinado principalmente para el Internet de las Cosas Submarinas (IoUT), con aplicaciones en vigilancia militar, monitoreo de sistemas en la industria del petróleo y gas, y control ambiental y explotación comercial del entorno acuático.

 La Internet de los objetos submarinos (IoUT) y su alimentacion con baterias. 

presenta el diseño del primer nodo sensor submarino sin batería que puede recargarse de forma inalámbrica mediante ondas ultrasónicas

 se presenta la arquitectura de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica a partir de ondas ultrasónicas

ilustramos cómo conectar este sistema con una unidad de comunicación digital submarina.

diseño de un prototipo donde la unidad de almacenamiento se realiza con un lote de supercondensadores

 la energía recolectada es suficiente para proporcionar al nodo sensor la energía necesaria para realizar una operación de detección y alimentar un módem para comunicaciones ultrasónicas.

La Sección 2 proporciona material de referencia y una descripción general de las técnicas de alimentación en redes submarinas.

Otros ejemplos de WPT

 En la Sección 3 se presenta la arquitectura del sistema propuesta y su principio de funcionamiento.

 En la Sección 4 describimos los principios físicos subyacentes de la atenuación de ondas y campos en los casos de ondas electromagnéticas (EM), inducción magnética (IM) y ultrasonido (US) en agua dulce y de mar. 

En la Sección 5 describimos el diseño y las métricas de evaluación de nuestro sistema TIP habilitado con capacidades de comunicación ultrasónica. 

El prototipo del sistema y los resultados experimentales se ilustran en la Sección 6 y la Sección 7, respectivamente

Conclusiones Seccion 8

Materiales usados

PCB implementando un nodo SEANet G

Los materiales piezoeléctricos se utilizan para extraer energía de fuentes de energía cinética. Este tipo de cosechadoras submarinas pueden alcanzar potencias que van desde el orden de milivatios hasta unos pocos vatios

Supercondensadores

El SEANet G1 en el prototipo descrito juega un papel crucial en la comunicación ultrasónica y la transferencia de datos en ambientes submarinos. Este sistema es una plataforma diseñada específicamente para el Internet de las Cosas Submarinas (IoUT), permitiendo que los nodos sensores puedan transmitir y recibir datos mientras son alimentados de manera inalámbrica por ondas ultrasónicas.

Usos

 aplicaciones militares, científicas y comerciales en el mar. 

 (i) vigilancia táctica/costera; (ii) sistemas de control y seguimiento de la industria del petróleo y el gas; (iii) monitoreo del cambio climático, control y seguimiento de la contaminación; y (iv) explotación comercial del medio acuático,

aplicaciones UWSN,

Aporte

a utiliza ondas ultrasónicas como medio para transportar energía a un módem submarino remoto, lo que permite una plataforma sin batería y alimentada de forma inalámbrica para IoUT. El uso de supercondensadores, que sustituyen a las baterías tradicionales o recargables, hace que el sistema sea más ligero, más fácil y más rápido de recargar. Todos los componentes del módem submarino se alimentan del mismo componente de almacenamiento de energía; por lo tanto, diseñamos específicamente una unidad de alimentación para superar los desafíos que surgen de interconectar la unidad de gestión de energía con la unidad de comunicación. 

Funcionamiento

El modelo arquitectónico de una plataforma submarina capaz de extraer energía eléctrica de ondas ultrasónicas y utilizarla para alimentar un sistema de comunicación ultrasónico.

Las turbinas y los rotores se utilizan principalmente para convertir la energía hidráulica (la energía del agua que cae o se mueve) en electricidad. 

Estructura

0. Ilustración esquemática del banco de pruebas utilizado para demostrar la TIP ultrasónica en agua y la alimentación del nodo SEANet G

Parametros

un nodo sensor submarino requiere alrededor de 30 W de potencia para funciones no relacionadas con la propulsión (comunicación, procesamiento y detección), además de los cuales se necesitan otros 15 a 110 W si el dispositivo incluye hélices u otros componentes mecánicos

, la energía del sistema se puede restaurar con aproximadamente 1 W de potencia a una distancia de 1 m en menos de 5 minutos. También llevamos a cabo un estudio sobre el enlace inalámbrico acústico submarino que demuestra que se pueden cubrir distancias más largas que las tecnologías más modernas. Diseñamos un sistema que utiliza un solo transductor tanto para carga como para comunicación, lo que ahorra espacio, peso y coste

El artículo informa sobre una viga compuesta piezoeléctrica que mide 95 mm × 35 mm × 0,8 mm.

Bibliografia

[1] R. Guida, E. Demirors, N. Dave, and T. Melodia, “Underwater Ultrasonic Wireless Power Transfer: A Battery-Less Platform for the Internet of Underwater Things,” IEEE Trans Mob Comput, vol. 21, no. 5, pp. 1861–1873, May 2022, doi: 10.1109/TMC.2020.3029679.