concepto
La topologia de rectificador
pueden derivarse de topologías de inversor y viceversa [1]
se fabrican con diodos para menos de 2 amperios, pero puede dar pérdidas por conmutación brusca y la recuperación inversa [1]
En un rectificador de microondas clásico, los armónicos de tensión y corriente se generan mediante el proceso de rectificacion de media onda realizado por el diodo no lineal [2] , y la superposición de estos armónicos de voltaje y corriente no nulos es una de las principales razones de la reducción de la eficiencia del rectificador [][]
Diagrama de circuito de una topología de rectificador Clase D
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estructura
Un circuito rectificador clásico está constituido por un filtro de paso bajo de entrada [2] , un dispositivo rectificador como un diodo Schottky [4] o un transistor GaN un filtro de paso de CC de salida y una carga resistiva [3]
Rectena
Una recena de banda ancha ofrece una
solución para aumentar la potencia de RF de entrada..[119]
. Esquema de una rectina típica con un diodo.[119]circuito y antena de alta impedancia
• circuito con resonadores
• adaptación de impedancia a una potencia de entrada baja
• circuito de adaptación de impedancia de entrada (activo)
• circuito de adaptación de impedancia de salida
• red de adaptación selectiva con múltiples
rectificadores
• antena/circuito diferencial
• reutilización de ondas de radio reflejadas
• voltaje de polarización propia en el diodo. .[119]
Para aumentar la potencia de salida del
recolector de energía, el recolector híbrido, por
ejemplo, RF + térmico [], RF + vibración []
y RF + célula solar [119]
La rectenna para MPT generalmente contiene un SBD de silicio (Si) o
arseniuro de galio (GaAs). En general, la eficiencia del rectificador con
SBD de GaAs es mayor que con el SBD de Si [], []. El rectificador
alcanza una eficiencia del 90% con un SBD de GaAs con unos pocos vatios
de potencia de microondas de entrada [], []. Pero, incluso si se utiliza un
rectificador con un SBD de GaAs con una eficiencia del 90%, la eficiencia
es menor para una potencia de entrada inferior a 1 mW. [119]
El rectificador desarrollado con un diodo túnel y (b) su eficiencia de conversión RF-CC a 2,4 GHz [119]i la potencia
recibida en el recolector de energía es insuficiente, se debe elegir un
sistema TIP/MPT activo y transmitir la potencia de microondas/ondas
de radio. Si la potencia recibida es inadecuada para hacer funcionar
un sensor con mayor potencia para cargar un teléfono móvil, se debe
seleccionar una frecuencia más alta para concentrar más energía en
la reccena [119]
Algunos rectificadores
eficiencias de conversión del 70%. [6] y el 71% [7]
instalado un filtro de supresión de armónicos. [9] [10] eficiencias de conversión rara vez son superiores al 74% debido a la superposición armónica de corriente y voltaje del elemento activo [12]
D
[116]
Diagrama de circuito de una topología de rectificador Clase D
[1]de
medio puente accionado por corriente que utiliza dos diodos. produce un voltaje de
onda cuadrada de alta frecuencia. Si el tiempo de recuperación inversa no sea mucho menor que el período de tiempo de la
operación de conmutación podria dar
pérdidas de recuperación inversa del diodo
Para sistemas WPt de baja frecuencia (50 kHz–1 MHz). [1]
E
Diagrama de circuito de una topología de El rectificador Clase E, de medio puente, de baja dv/dt y accionado por corriente [116] Consta de un condensador
y un diodo conectados en paralelo a un filtro de segundo orden. El capacitor (Cd ) actúa como amortiguador de
voltaje. Proporciona ZVS al encender y reduce la velocidad a la que aumenta el voltaje durante el apagado, Por su duseño cuando la corriente resonante es negativa, la corriente del diodo la supera y las pérdidas por conducción
aumentan. [1]
el voltaje máximo a través de él es mayor que el voltaje de
salida y, por lo tanto, la utilización del dispositivo es peor que la del rectificador Clase D. [1]
Para s a altas frecuencias [1]
Desventaja, las
capacitancias parásitas de los diodos dependen del voltaje y pueden desafinar el sistema, armar un circuito resonante con condensadores externos en paralelo a los diodos, minimizando las perdidas [1]
transmisor con salida de corriente constante
Un transmisor de fuente de corriente constante con múltiples receptores. [1]El comportamiento de la figura se puede lograr mediante control
dinámico,
modulación de cambio de fase entre las patas de un inversor de puente completo, Esto evita un circuito adicional de adaptación de impedancia, pero con riesgo de respuesta dinamica más lenta y la adición o eliminación de nuevos dispositivos puede provocar
transitorios dañinos [1]
En sistemas de múltiples receptores con un transmisor de tipo fuente de voltaje. [1]
Problema el cambio en la carga en un
receptor afecta la cantidad de energía entregada a los demás, debido a que la potencia es directamente proporcional a resistencia reflejada en el transmisor [1]
El transmisor es una fuente de corriente y el acoplamiento cruzado entre los receptores deberian ser insignificantes para que la potencia entregada se asolo dependindiente de la impedancia reflejada del transmisor. Ello forma una topología de corriente constante en el lado del
transmisor. [1]
Para una respuesta dinamica mas rapida, usar un comportamiento de fuente
de corriente inherente del inversor con filtros pasivos [1]
ejemplo
[1]
e creó utilizando un filtro de paso bajo y múltiples filtros de muesca, lo que infiere las características de la fuente de corriente al inversor de puente completo [1]
La etapa del filtro de muesca está diseñada para suprimir los armónicos de orden bajo (tercero, quinto y séptimo para evitar mayores pérdidas de CA y problemas de EMI [1]
un tanque resonante LC-LCL [118].
En una red de adaptación de impedancia (IMN) A la frecuencia de conmutación resuenan Lr y Cr , así como Lf 1 y Cf. , la corriente de salida del transmisor sera casi independiente de la resistencia de carga reflejada en el transmisor, lo que hace que se comporte como una fuente de corriente. Sin embargo, otros armónicos pueden afectar el rendimiento del IMN y, por lo tanto, deben diseñarse con un factor de alta calidad que pueda atenuar los armónicos. [1]
una red Q alta necesita una inductancia mayor, lo que afecta el tamaño y las
pérdidas del IMN. [1]
terminación
armónica clase F
En particular, se utilizan redes de terminación armónica de clase F y clase F−1 para remodelar las formas de onda de corriente y voltaje a través del diodo rectificador [2]
para la configuración de clase F la forma de onda de voltaje es cuadrada mientras que la corriente es una onda de media onda sinusoidal, y viceversa para la clase F−1), y para eliminar la superposición de armónicos de voltaje y corriente, reduciendo las pérdidas del diodo. Esto se puede entender fácilmente derivando la expansión de la serie de Fourier de las formas de onda [2]
se han cancelado los armónicos de corriente segundos y de tensión terceros mediante el diseño de una línea de transmisión de terminales cortos λ/8 y una línea de transmisión de terminales abiertos λ/12 [2]
una reactancia inductiva para cancelar la reactancia capacitiva del diodo rectificador
(a) Rectificador clase F-1 propuesto y formas de onda de corriente y voltaje ideales clase F y clase F-1 en el dominio del tiempo. [2]
Agrega una red de terminación armónica (generalmente implementada
con terminales abiertos/cortos y una línea de transmisión λ/4 . se presenta la topología del rectificador clase F
inversa (clase F-1), rectificador basado en el diodo Schottky HSMS2860 con , compacidad y baja pérdida de inserción,
y también puede lograr una mayor eficiencia al implementar una
topología clase F-1. Se obtiene una eficiencia superior al 80% para una potencia de entrada
de 13 dBm . [2]
Consta de un condensador de bloque de CC C1, Diodo Schottky HSMS2860 , una red de terminación armónica, un filtro de CC (L1 y C2) y una carga resistiva RL [2]
eficiencia de conversión máxima del 80,4 % para una potencia de entrada de 13 dBm a 2,35 GHz, y una eficiencia superior al 60 % dentro del ancho de banda de 2,25 a 3 GHz y para una amplia gama de cargas de salida. [2]
a corriente positiva residual se debe a Cj0 , que presenta una reactancia relativamente pequeña a 2,45 GHz e induce una corriente grande cuando el diodo se apaga). [2]
se diseñaron dos rectificadores clase F que trabajan a 0,9 y 5,8 GHz,
que implementan esta estructura, para una potencia de entrada
optimizada de 13,4 y 17,6 dBm, con eficiencias medidas del 80,4% y
79,5% [12]
En [13], la red de terminación de armónicos se coloca a la salida de
la etapa rectificadora implementando una topología de carga clase F
(que no requiere filtro de salida) y obteniendo una eficiencia de
conversión máxima del 71% para una potencia de entrada de 14,7 dBm. Sin embargo, la presencia del filtro de entrada aumenta el tamaño de
los rectificadores, su complejidad de diseño y la pérdida de inserción.
Para reducir el área ocupada y la pérdida de inserción del circuito,
Zhao et al. propusieron una nueva red de terminación armónica de
clase F, para potencias de entrada a nivel de vatios, lo que arroja
una eficiencia del 81,4%. La red de terminación armónica diseñada
(compuesta por líneas de transmisión abiertas/cortas λ/8 y λ/12) no
sólo remodela oportunamente el voltaje y la corriente del diodo para
lograr un comportamiento de clase F sino que también proporciona
adaptación de impedancia [en combinación con una línea de sintonía corta (TL)] [14]
Teoria
Teoria matematica de la obtencion del rectificador
Otros
a eficiencia de conversión RF-CC del circuito rectificador es sorprendentemente
alta, alcanzando el 90% a 2,45 GHz [119], [119] y el 80% a 5,8 GHz [119] con un diodo de
barrera Schottky (SBD) a más de 30 dBm de potencia de entrada. . Aunque la
eficiencia teórica de conversión RF-CC del circuito rectificador alcanza el 100% [119],
debido a las características del diodo, depende de la potencia de microondas de [119]
Bibliografia
[1] A. Laha, A. Kalathy, M. Pahlevani, and P. Jain, “A Comprehensive Review on Wireless Power Transfer Systems for Charging Portable Electronics,” Eng, vol. 4, no. 2. Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), pp. 1023–1057, Jun. 01, 2023. doi: 10.3390/eng4020061.
[2] F. Zhao, D. Inserra, G. Wen, J. Li, and Y. Huang, “A High-Efficiency Inverse Class-F Microwave Rectifier for Wireless Power Transmission,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, no. 11, pp. 725–728, 2019, doi: 10.1109/LMWC.2019.2944525.
[3] Y. Yamaguchi, M. Hangai, K. Yamanaka, and Y. Homma, “GaN HEMT
high efficiency amplifier for microwave wireless power transmission,” in
Proc. IEEE Int. Symp. Radio-Freq. Integr. Technol. (RFIT), Aug. 2015,
pp. 196–198.
[4] X. Y. Zhang, Z.-X. Du, and Q. Xue, “High-efficiency broadband rectifier
with wide ranges of input power and output load based on branchline coupler,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 64, no. 3,
pp. 731–739, Mar. 2017.
[]
[6] U. Olgun, C. Chen, and J. L. Volakis, “Wireless power harvesting
with planar rectennas for 2.45 GHz RFIDs,” in Proc. URSI Int. Symp.
Electromagn. Theory, Aug. 2010, pp. 329–331.
[7] I. Hamzi, M. El Bakkali, M. Aghoutane, and N. A. Touhami, “Analysis of series and shunt rectifier circuits topologies,” in Proc. Int.
Conf. Wireless Technol., Embedded Intell. Syst. (WITS), Apr. 2019,
pp. 1–4.
[9] D. Wang and R. Negra, “Design of a rectifier for 2.45 GHz wireless
power transmission,” in Proc. 8th Conf. Ph.D. Res. Microelectron.
Electron.), Aachen, Germany, Jun. 2012, pp. 1–4.
[10] S. Ladan and K. Wu, “Nonlinear modeling and harmonic recycling of
millimeter-wave rectifier circuit,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn.,
vol. 63, no. 3, pp. 937–944, Mar. 2015.
[12] J. Guo, H. Zhang, and X. Zhu, “Theoretical analysis of RF-DC conversion efficiency for class-F rectifiers,” IEEE Trans. Microw. Theory
Techn., vol. 62, no. 4, pp. 977–985, Apr. 2014.
[13] C. Wang, N. Shinohara, and T. Mitani, “Study on 5.8-GHz single-stage
charge pump rectifier for internal wireless system of satellite,” IEEE
Trans. Microw. Theory Techn., vol. 65, no. 4, pp. 1058–1065, Apr. 2017
[16] M. Roberg, T. Reveyrand, I. Ramos, E. A. Falkenstein, and Z. Popovic,
“High-efficiency harmonically terminated diode and transistor rectifiers,”
IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 60, no. 12, pp. 4043–4052,
Dec. 2012.
[116] Kkelis, G.; Yates, D.C.; Mitcheson, P.D. Comparison of current driven Class-D and Class-E half-wave rectifiers for 6.78 MHz high
power IPT applications. In Proceedings of the IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC), Boulder, CO, USA, 13–15 May
2015; pp. 1–4.
[117] Jiang, L.; Costinett, D. A GaN-Based 6.78 MHz Single-Stage Transmitter with Constant Output Current for Wireless Power
Transfer. In Proceedings of the IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power Transfer (Wow), Montreal, QC,
Canada, 3–7 June 2018; pp. 1–6.
[118] Jiang, L.; Tamjid, F.; Zhao, C.; Costinett, D.; Fath, A.; Yang, S. A GaN-based 100 W two-stage wireless power transmitter with inherent current source output. In Proceedings of the IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power Transfer (WoW), Knoxville, TN, USA, 4–6 October 2016; pp. 65–72.
[119] N. Shinohara, “Trends in Wireless Power Transfer: WPT Technology for Energy Harvesting, Mllimeter-Wave/THz Rectennas, MIMO-WPT, and Advances in Near-Field WPT Applications,” IEEE Microw Mag, vol. 22, no. 1, pp. 46–59, Jan. 2021, doi: 10.1109/MMM.2020.3027935.
Diagrama de bloques funcional del sistema RCC con transferencia de datos
Configuración de medición del sistema CC con tejido de cerdo.
