Revision: Enabling a Battery-Less Sensor Node Using Dedicated Radio Frequency Energy Harvesting for Complete Off-Grid Applications

 

 

¿Mejor que las antenas de Powercast?

Para la frecuencia de 915 MHz, existen numerosos artículos completos y módulos comerciales específicos, entre los que destacan productos de Powercast, una de las marcas líderes en sistemas de Wireless Power Transfer (WPT). Las antenas comerciales de Powercast para esta frecuencia típicamente presentan una ganancia de alrededor de 1.7 dBi para su antena dipolo omnidireccional, y cerca de 6.8 dBi para su antena parche (patch) direccional. Estas antenas se usan comúnmente en aplicaciones IoT para recolectar energía y suelen ser capaces de generar voltajes útiles a distancias de hasta 6 metros, dependiendo de la potencia de la fuente de RF.

Sin embargo, en un estudio reciente realizado por investigadores de la Universidad de Pretoria (Sudáfrica), se diseñó y validó un sistema de WPT que utiliza una antena Yagi con una ganancia significativamente superior de 12.62 dBi, operando a una frecuencia ligeramente menor de 920 MHz. Esta antena es capaz de recolectar energía efectiva a una distancia de 15 metros bajo una potencia radiada de 4 W EIRP, lo que representa un avance importante en la distancia y eficiencia de la recolección de energía inalámbrica.

Parámetros técnicos de la antena Yagi

El diseño de esta antena Yagi incluye:

Elemento	Distancia desde elemento activo (mm)	Longitud (mm)	Diámetro (mm)
Reflector	64.5	169.55	6.35
Elemento activo (dipolo plegado)	0	184.1	6.0
Director 1	26.2	150.3	6.35
Director 2	86.6	149.4	6.35
Director 3	157.6	146.1	6.35
Director 4	239.4	145.7	6.35
Director 5	333.6	144.4	6.35
Director 6	434.2	139.8	6.35
Director 7	538.7	141.4	6.35
Director 8	647.9	140.8	6.35
Director 9	760.2	140.0	6.35
Director 10	879.5	137.6	6.35

La antena fue fabricada con elementos de cobre y aluminio, con un cuidadoso diseño para optimizar la ganancia y minimizar la pérdida de retorno. Se simuló y optimizó mediante software electromagnético FEKO para alcanzar un retorno de pérdida (return loss) de -14.11 dB a 920 MHz, lo que garantiza una buena adaptación y eficiencia.

Resultados de la investigación

• Ganancia medida: 12.62 dBi a 920 MHz, muy superior a las antenas Powercast típicas para 915 MHz.

• Distancia efectiva: El sistema pudo recolectar suficiente energía para alimentar un nodo sensor durante más de 150 minutos a 15 metros del transmisor con 4 W EIRP.

• Funcionamiento: La energía recolectada se usó para alimentar un sensor de temperatura y un módulo LoRa para transmisión inalámbrica de datos IoT sin necesidad de baterías.

Invitación a replicar para 915 MHz

Aunque este diseño específico está optimizado para 920 MHz, es totalmente factible replicar o adaptar la antena Yagi para la banda de 915 MHz, la cual es estándar para muchas aplicaciones IoT y WPT comerciales. Al adaptar las dimensiones y el espaciamiento, se puede mantener o incluso mejorar el rendimiento, ofreciendo una alternativa potente para sistemas de recolección de energía inalámbrica a mayores distancias que las actuales antenas comerciales.

Este tipo de antena Yagi de alta ganancia tiene un enorme potencial para aplicaciones IoT, especialmente para nodos sensores que requieren autonomía total sin mantenimiento frecuente. Por ejemplo, monitoreo ambiental en áreas remotas, sensores industriales o sistemas de seguridad que funcionen sin acceso a alimentación directa ni necesidad de recambio de baterías.

Uso de Energía RF para Cargar Baterías de Iones de Litio y Alimentar Microcontroladores: Guía Práctica

La carga inalámbrica de baterías de iones de litio mediante energía de radiofrecuencia (RF) representa un avance importante para la autonomía de dispositivos electrónicos, especialmente en aplicaciones IoT y nodos sensores sin conexión a la red eléctrica. Sin embargo, el proceso de conversión y almacenamiento de energía RF en baterías recargables plantea varios retos que deben ser cuidadosamente gestionados para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro del sistema.

Este artículo detalla el procedimiento y las consideraciones para cargar baterías de iones de litio y alimentar microcontroladores utilizando energía RF, basado en un estudio reciente de la Universidad de Pretoria (Sudáfrica).

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1. Conversión de energía RF a energía útil

La energía recibida en forma de ondas RF es muy baja y variable. Primero, una antena especialmente diseñada (como la Yagi de alta ganancia mencionada en el estudio) captura la energía, que luego pasa por un circuito rectificador RF-DC para convertir la señal alterna en corriente continua.

En este sistema, se emplea un rectificador totalmente acoplado cruzado basado en transistores MOSFET (Renesas HFA3096BZ) para maximizar la eficiencia y sensibilidad en la conversión.

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2. Almacenamiento y manejo de voltajes para baterías y microcontroladores

Voltaje insuficiente para encender el microcontrolador

Cuando el voltaje almacenado es muy bajo (por debajo del umbral de operación del microcontrolador, típicamente < 1 V), el sistema no puede alimentar el microcontrolador ni la carga. En este estado:

• Se acumula energía en un supercondensador o capacitor de almacenamiento.

• No se activa el conversor elevador (boost converter).

• Se mantiene desconectado el microcontrolador para evitar descargas innecesarias.

Esto permite acumular suficiente energía para alcanzar el nivel mínimo operativo antes de encender la electrónica.

Voltaje suficiente pero carga incompleta

Cuando el voltaje acumulado alcanza el umbral de activación (por ejemplo, alrededor de 1 V):

• Se activa el conversor DC-DC elevador (boost converter) para incrementar el voltaje a un nivel útil (3.3 V en el estudio) necesario para alimentar el microcontrolador y sensores.

• El microcontrolador puede encenderse y operar, transmitiendo datos.

• Mientras el voltaje siga subiendo, el sistema puede continuar almacenando energía para aumentar la autonomía y duración del ciclo operativo.

Voltaje alto o batería cargada completamente

Una vez que la batería o el capacitor están cargados cerca de su máximo voltaje nominal (4.2 V para Li-ion):

• Se utiliza un algoritmo de carga Constant Current - Constant Voltage (CC-CV) implementado en el microcontrolador para controlar el proceso y evitar daños por sobrecarga.

• El microcontrolador regula el convertidor DC-DC y la carga mediante señales PWM que controlan los MOSFETs.

• Se desconecta o reduce la carga para evitar sobrevoltajes o corrientes excesivas.

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3. Uso de MOSFETs y switches electrónicos para control

Para controlar el encendido/apagado del boost converter y la conexión con el microcontrolador, se emplean MOSFETs como interruptores electrónicos:

• MOSFET de canal N se utiliza en el convertidor DC-DC por su baja impedancia y rápida conmutación.

• La señal PWM generada por el microcontrolador regula el duty cycle del MOSFET, ajustando la tensión y corriente de salida del convertidor.

• Un switch mecánico o un switch electrónico controlado por el microcontrolador activa el boost converter cuando el voltaje almacenado es suficiente para encender el sistema.

• Para proteger la batería y controlar la carga, el microcontrolador monitoriza el voltaje y corriente a través de circuitos de medición (resistencias shunt y amplificadores operacionales).

Este sistema asegura una carga eficiente, segura y con control dinámico para maximizar la vida útil de la batería y la autonomía del nodo sensor.

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4. Circuitos de medición y control

El microcontrolador recibe información analógica de voltaje y corriente mediante circuitos:

• Divisor de voltaje y amplificador operacional para escalar y adecuar la tensión a niveles compatibles con el ADC del microcontrolador (3.3 V).

• Amplificador diferencial para medir la caída de voltaje en la resistencia shunt y así obtener la corriente de carga.

Con estos datos, el microcontrolador ejecuta el algoritmo CC-CV y regula el PWM para controlar el MOSFET del convertidor.

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5. Conclusiones y recomendaciones

• La carga de baterías de iones de litio mediante energía RF requiere circuitos rectificadores eficientes, almacenamiento con supercondensadores y conversores DC-DC elevadores.

• Es crucial manejar cuidadosamente los estados de voltaje: acumulación inicial, operación normal y carga completa para proteger el sistema.

• Los MOSFETs y switches electrónicos controlados por microcontrolador permiten una gestión dinámica y segura de la energía.

• Este enfoque permite diseñar nodos sensores inalámbricos autónomos para IoT, eliminando la necesidad de baterías externas o reemplazos frecuentes.

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¿Quieres que te ayude con esquemas de circuitos o código para implementar el control PWM y CC-CV en microcontroladores?

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Fuente principal:
"Enabling a Battery-Less Sensor Node Using Dedicated Radio Frequency Energy Harvesting for Complete Off-Grid Applications", Energies 2020, 13(20), 5402. Timothy Miller et al.