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: Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches

  Este artículo muestra un C-WPDT resonante, con frecuencia de portadora entre 0.1 y 3.5 MHz hasta 170 kbps para implantes biomédicos a 8mm. En el transmisor se compone de circuito de administración  a de energía, un microcontrolador MSP430F5528, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D. en el receptor usa rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico , parches flexibles, conformables y biocompatibles, alcanzando una potencia de 150 mW y una eficiencia del 54\% en piel de 1,5 a 2 mm de espesor

• Estructura del sistema: El sistema C-WPDT consta de una unidad lateral externa y una unidad lateral del implante, ambas fabricadas en placas de circuito impreso (PCB). La unidad externa incluye componentes como un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth y un controlador de clase D, mientras que la unidad de implante incluye un rectificador, un circuito de administración de energía, un decodificador de datos, un microcontrolador y un estimulador eléctrico [1].

• Fases de operación: el sistema funciona mediante redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos flexibles. Incluye una sección de calibración autorresonante para compensar las variaciones de los parámetros de la interfaz en tiempo real. El sistema logra la transferencia simultánea de energía y datos a través del tejido ex vivo para controlar un estimulador eléctrico [2].

• Hardware clave: Entre los componentes de hardware más destacados se incluyen un controlador de potencia de clase D con ajuste automático de resonancia y un decodificador de datos adaptativo en la parte del implante para una recuperación de datos fiable [1] [3].

• Parámetros logrados: El objetivo del sistema es mejorar la eficiencia de la transferencia de energía (PTE) y la pérdida de suministro de energía (PDL) ajustando las frecuencias de resonancia y utilizando parches flexibles, conformes y biocompatibles. Se logra un PTE máximo de 54 a una frecuencia de operación baja de 1,6 MHz [4].

  
  
  

• Información relevante para el diseño: El sistema utiliza una técnica de calibración de la frecuencia portadora sin necesidad de retrotelemetría, lo que proporciona alimentación inalámbrica y capacidades de transferencia de datos. Funciona a bajas frecuencias para gestionar la desintonización resonante de forma eficaz con un presupuesto de energía reducido [5].

• Metodología: La metodología consiste en utilizar redes sintonizadas por resonancia con parches capacitivos, implementar la calibración autorresonante para obtener una compensación en tiempo real y lograr la transferencia inalámbrica de energía y datos a través del tejido [2].

• Resultados: El sistema demuestra satisfactoriamente las capacidades inalámbricas de transferencia de datos y alimentación a través del tejido, lo que permite lograr mejoras significativas en la PTE y la PDL. El sistema funciona de manera eficiente a bajas frecuencias, lo que simplifica los requisitos de diseño [4] [2].

• Conceptos teóricos: El sistema explica conceptos como el ajuste de la frecuencia de resonancia, el ajuste de la red de distribución de energía y el impacto de la flexión en los parámetros de los parches. Destaca la importancia de comprender los parámetros de enlace para la gestión de los cambios de frecuencia [6].

• Aplicaciones: El sistema C-WPDT encuentra aplicaciones para alimentar y controlar estimuladores eléctricos de forma inalámbrica a través del tejido, lo que demuestra su potencial en las tecnologías de implantes biomédicos [2].

El WPDT capacitivo (C-WPDT)

Los parches flexibles y conformables

una técnica de calibración de frecuencia portadora para la estrategia C-WPDT con parches flexibles sin necesidad de retrotelemetría

 Discutimos el modelo de interfaz CWPDT subyacente y el diseño del sistema en la Sección II,

 la configuración experimental y los resultados en la Sección III, 

y las conclusiones en la Sección IV

Usos

 implantes biomédicos a través de un enlace capacitivo resonante.

Materiales

láminas de cobre encapsuladas en Kapton

estructura

 Se adoptan parches flexibles, conformables y biocompatibles con una técnica de calibración automática de frecuencia resonante por primera vez. 

Se han desarrollado una red de retroalimentación de voltaje, un controlador de clase D y un algoritmo personalizado para la calibración de baja sobrecarga. 

Diagrama de bloques del sistema de unidades externas e internas (IMD) para energía inalámbrica y telemetría de datos mediante parches capacitivos

Diseño del sistema El sistema de implante C-WPDT propuesto adopta una red sintonizada resonante mediante el uso de parches capacitivos flexibles con superficie aislada (P1 a P4). El diagrama de bloques del sistema se muestra en la Fig. 3 (a). El lado/unidad externo consta de un circuito de administración de energía, un microcontrolador, un transceptor Bluetooth de baja energía (BLE), un controlador Clase D (un convertidor de puente H que incluye interruptores S1 a S4 junto con inductores de sintonización resonantes L1 y L2) y una red de retroalimentación para una operación automática de calibración de frecuencia resonante. El lado del implante consta de un puente rectificador Schottky, un filtro condensador, un circuito de gestión de energía, un decodificador de datos adaptativo, un microcontrolador de potencia ultrabaja y un estimulador eléctrico. El implante y las unidades externas se realizan en placas de circuito impreso (PCB), como se analiza más adelante en la Sección III

Parametros

Experimentos basados ​​en tejido de piel de pollo ex vivo con parches capacitivos conformables y flexibles de 4 cm2 demostraron el método.  

Los resultados experimentales muestran que la potencia entregada a la carga (PDL) del enlace se extiende hasta 150 mW 

 la máxima eficiencia de transferencia de potencia (PTE) del enlace es del 54%. 

Se ha logrado una transferencia de datos simultánea con una velocidad de hasta 170 kbps 

junto con la transferencia de potencia utilizando tejido de piel biológica de 1,5 a 2 mm de espesor.

Funcionamiento

(a) Diagrama de bloques del sistema de unidades internas y externas (IMD) para telemetría de datos y energía inalámbrica mediante parches capacitivos. (b) La arquitectura de la calibración automática de frecuencia de resonancia junto con la red de retroalimentación. (c) Un algoritmo de detección de picos digitales para la calibración o sintonización automática de frecuencia de resonancia.

Configuración de medición utilizando sondas diferenciales activas (AD) para adquisición de datos PTE y PDL.

 presentó un esquema capacitivo para transferir energía y datos simultáneamente a través de tejidos de piel biológicos in vitro. Los parches capacitivos presentados son flexibles, conformables y biocompatibles, y están hechos de láminas de cobre encapsuladas en Kapton.

 Se ha desarrollado un controlador de potencia basado en amplificador de clase D, una red de retroalimentación y un algoritmo novedoso que presenta calibración y ajuste automáticos de la frecuencia portadora resonante.

 El esquema demostró un enfoque práctico para compensar los cambios en los parámetros del modelo de enlace capacitivo equivalente, sin ningún hardware adicional en el lado del implante o telemetría posterior. También se ha informado de una demostración de aplicación para controlar un estimulador eléctrico implantable a través de una aplicación de teléfono inteligente.

La salida de un solo extremo se alimentó a un ADC de 12 bits en el microcontrolador (MSP430F5528, Texas Instruments, EE. UU.). El firmware lee los datos del ADC mientras recorre un rango de frecuencias portadoras (por ejemplo, 100 kHz a 3,5 MHz; 70 kHz o 48 pasos). El voltaje portador óptimo/más alto posible aparece entre los parches P1 y P2, a una frecuencia de resonancia particular. El microcontrolador registra el voltaje y la frecuencia correspondientes a través del hardware de la red de retroalimentación, así como el algoritmo de detección de picos digital en el software

Bibliografia

[1] S. Nag, A. Koruprolu, S. M. Saikh, R. Erfani, and P. Mohseni, “Auto-Resonant Tuning for Capacitive Power and Data Telemetry Using Flexible Patches,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 67, no. 10, pp. 1804–1808, Oct. 2020, doi: 10.1109/TCSII.2019.2955568.