Компания idt представила приемопередатчик для систем беспроводной передачи энергии

Содержание

Беспроводная система передачи мощности WattUp

В настоящее время беспроводные зарядные устройства используются в широком спектре мобильных приложений (смартфоны, планшеты и т.д.). При этом на рынке присутствует несколько конкурирующих технологий от различных производителей. В 2015 году компания Energous предложила свое решение задачи беспроводной зарядки, представив технологию WattUp ® .

Традиционные беспроводные зарядные устройства имеют несколько важных ограничений. Речь в первую очередь идет об использовании специальных зарядных платформ и достаточно габаритных приемных и передающих антенн. Кроме того, традиционные решения требуют правильного позиционирования заряжаемых устройств на платформе. При разработке WattUp ставилась амбициозная задача – устранить все эти ограничения.

Технология WattUp создавалась для использования в потребительских, промышленных и автомобильных приложениях. Она должна была обеспечивать одновременный и интеллектуальный заряд множества независимых устройств. При этом предполагалось, что заряжаемые устройства можно будет произвольно ориентировать и располагать на значительной дистанции от зарядного устройства (передатчика энергии). Кроме того, сами приемники мощности должны были отличаться компактными размерами. По сути, разработчики WattUp хотели создать беспроводную зарядную сеть, похожую по своей структуре на традиционные коммуникационные сети, такие как Wi-Fi.

Вполне очевидно, что реализовать в одной технологии все перечисленные требования очень и очень сложно. Однако, судя по всему, компании Energous в партнерстве с компанией Dialog Semiconductor это удалось. В сентябре 2019 года Energous анонсировала выпуск набора разработчика, что свидетельствует о том, что технология WattUp является настолько отработанной, что ее можно передавать широкому кругу производителей электроники.

Структура беспроводной зарядной системы WattUp

В настоящий момент технология WattUp характеризуется ограниченным радиусом действия и использует для передачи энергии ближнее поле (Near Field WattUp). На рис. 1 представлена структурная схема беспроводного канала передачи энергии WattUp. Зарядное устройство организует транспортировку энергии с помощью интегрального передатчика DA4100 и усилителя DA3210. Заряжаемое устройство принимает энергию с помощью приемников DA2210 или DA2223. Выходной сигнал от DA2210 или DA2223 преобразуется с помощью DC/DC-регулятора. В свою очередь DC/DC-регулятор используется для питания Bluetooth-микросхем. Обмен информацией между устройствами осуществляется с помощью коммуникационных Bluetooth-микросхем DA14680, DA14681 или DA14585. Кроме того, микросхемы DA14680 и DA14681 имеют встроенное зарядное устройство для Li-Ion/Li-Poly-аккумуляторов. Передача данных может иметь двунаправленный характер: заряжаемое устройство передаёт информацию о статусе процесса заряда, типе аккумулятора и т.д., а зарядное устройство сообщает о своих параметрах. Для создания передающих и приемных антенн могут быть использованы как обычные жесткие, так и гибкие печатные платы.

Рис. 1. Беспроводная система передачи энергии WattUp

Ключевыми преимуществами беспроводной системы WattUp являются:

  • cверхкомпактные размеры
  • cвобода в позиционировании заряжаемых устройств
  • защищенный коммуникационный канал между передатчиком и приемником
  • отсутствие разъемов
  • возможность создания полностью герметичных устройств

Обзор основных элементов беспроводного канала WattUp

Рассмотрим основные компоненты беспроводного канала WattUp.

DA4100 – интегрированный ВЧ-передатчик энергии выполненный в виде SoC-микросхемы. DA4100 является основополагающим элементом беспроводного канала передачи энергии. Для работы DA4100 требуется внешний кварцевый резонатор и усилитель DA3210.

Передатчик DA4100 формирует ближнее поле (Near Field) и предназначен для питания малопотребляющих аккумуляторных устройств: фитнесс браслетов, беспроводных наушников, беспроводной гарнитуры, умных ручек и т.д.

Структурная схема DA4100 представлена на рис. 2. В состав DA4100 входят следующие блоки: процессор с ядром ARM Cortex ® M0+, RAM, ROM, система тактирования (PLL, делители и т.д.), ВЧ-конвертор, усилитель с программируемым коэффициентом усиления (VGA), детекторы мощности (PD), DC/DC-преобразователь, LDO-стабилизаторы, коммуникационные интересы (I2C, UART, SPI), порты ввода-вывода GPIOs, АЦП, ЦАП. Благодаря встроенным преобразователям напряжения DA4100 требует только одного внешнего источника питания 3,3 В.

Рис. 2. Структура передатчика DA4100

DA3210 – мощный интегральный ВЧ-усилитель, который совместно с передатчиком DA4100 формирует ближнее поле, используемое для заряда маломощных устройств.

Структура DA3210 представлена на рис. 3. В его составе присутствуют следующие блоки: программируемый ВЧ-усилитель, параметры которого настраиваются с помощью SPI-интерфейса, детекторы мощности, датчик температуры, аналоговый мультиплексор, который позволяет контролировать напряжение входного и выходного детекторов мощности.

Рис. 3. Структура усилителя DA3210

DA2210 и DA2223 – приемники беспроводной энергии (рисунок 4 и 5). Приемники требуют внешних антенн и согласующих цепей. В их составе присутствуют преобразователи, которые конвертируют ВЧ-сигнал в постоянное напряжение. Для защиты от перенапряжений на выходе приемников размещены ограничительные цепи.

В зависимости от требуемой выходной мощности, приемники DA2210 и DA2223 позволяют подключать до 4 антенн. Чем больше антенн, тем больше может быть выходная мощность. По данным, предоставляемым компанией Dialog Semiconductor, выходная мощность DA2210 достигает 100 мВт.

Рис. 4. Структура приемника DA2210

Рис. 5. Структура приемника DA2223

Очевидно, что приемники оказываются наиболее критичным элементом системы. Они, с одной стороны, должны обеспечивать высокое качество приема энергии и иметь повышенную эффективность, а с другой стороны, обладать малыми габаритными размерами. Микросхемы DA2210 и DA2223 оказываются чрезвычайно компактными: 3×3 мм и 1.69×1.39, соответственно (рис. 6). Однако не стоит забывать и об антеннах. По данным компании Dialog Semiconductor, для заряда наушников и других компактных малопотребляющих устройств будет достаточно антенн размером 2×3 мм. Для более мощных приложений, например, для умных часов, потребуется антенна размером 8×8 мм или 10×10 мм. Таким образом, даже с учетом антенн разработчикам вполне по силам разместить приемники DA2210 и DA2223 в компактных корпусах современных гаджетов.

Рис. 6. Приемники DA2210 и DA2223 отличаются компактными габаритами

В беспроводной зарядной системе WattUp за обмен данными по Bluetooth отвечают следующие SOC-микросхемы:

  • DA14680 – Bluetooth-приемопередатчик со встроенной FLASH и зарядным устройством для Li-Ion/Li-Poly-аккумуляторов;
  • DA14681 – Bluetooth-приемопередатчик без встроенной FLASH, но с зарядным устройством для Li-Ion/Li-Poly-аккумуляторов;
  • DA14585 – Bluetooth-приемопередатчик. Не имеет встроенной FLASH и зарядного устройства.

Как отмечалось в начале статьи, первоначальные задачи и требования, поставленные перед технологией WattUp, были чрезвычайно амбициозными. Тем не менее, о том, что технология реализуема на практике, свидетельствует появление набора разработчика, который был анонсирован в сентябре 2019 года (рис. 7). В состав набора входят следующие компоненты:

  • референсный передатчик мощности;
  • Референсный приемник мощности;
  • Мобильное приложение;
  • Руководство разработчика;
  • Документация;
  • Принципиальные схемы приемника и передатчика;
  • SDK;
  • Руководство по проектированию антенн.

Рис. 7. Отладочный набор

В качестве заключения можно предположить основные целевые приложения зарядных устройств WattUp с учетом их выходной мощности и радиуса действия (рис. 8):

  • Фитнесс-браслеты
  • Беспроводные наушники
  • Слуховые аппараты и гарнитура
  • Умные ручки;
  • Пульты управления
  • Умные очки
  • Умные часы и т.д.

Рис. 8. Области применения систем беспроводной передачи мощности WattUp

Новое в мире полупроводников

Читаем, обсуждаем, задаем вопросы

>Автор: admin

Действительно однокристальное решение

IDTP9030 – первый в мире однокристальный передатчик для систем беспроводной передачи энергии и IDTP9020 – однокристальный приёмник с очень высокой выходной мощностью.

Многорежимный передатчик с высокой степенью интеграции позволяет уменьшить размеры печатной платы на 80% и снизить затраты на комплектующие (BOM) на 50% по сравнению с существующими конкурирующими решениями. Оба устройства совместимы с Qi-стандартом, разработанным Консорциумом по беспроводной передачи энергии (WPC), и способны к «многоязычной» (многорежимной) работе. При этом они поддерживают как Qi-стандарт, так и сторонние стандарты в качестве дополнительной функции, обладают повышенной надежностью и увеличенной выходной мощностью.

По техническим и функциональным характеристикам передатчик IDTP9030 может заменить десяток дискретных компонентов, являясь при этом простым, недорогим и высокоэффективным решением. Значение передаваемой мощности энергии между передатчиком IDTP9030 и приёмником IDTP9020 достигает 5 Вт при использовании Qi-стандарта и свыше 7.5 Вт при использовании собственного стандарта компании IDT. Благодаря таким значениям изделия хорошо подходят для построения мощных мобильных устройств. Использование тандема IDTP9030 и IDTP9020 позволяет создавать самые эффективные в отрасли беспроводные системы передачи энергии, снижая при этом стоимость самой энергии и уменьшая время её передачи.

Внутренняя архитектура передатчика/приемника IDTP9030/IDTP9020
  • Базовые станции беспроводных зарядных устройств
  • Портативные устройства с функцией беспроводного заряда аккумуляторной батареи

Документация на передатчик IDTP9030 (англ.)

Документация на приемник IDTP9020 (англ.)

Исследование беспроводной передачи энергии с помощью моделирования

Беспроводная передача энергии предусматривает передачу энергии между приемником и передатчиком и используется для беспроводной зарядки электронных устройств, например мобильных телефонов или электромобилей. Несмотря на то, что технология беспроводной передачи энергии сулит множество выгод, ее реализация связана с определенными трудностями. Именно здесь на помощь приходит моделирование. Например, для обеспечения надлежащей работы некоторых беспроводных систем требуется определенная направленность антенны. Сегодня мы рассмотрим, каким образом взаимное расположение влияет на работу двух антенн беспроводной передачи энергии.

Введение в технологию беспроводной передачи энергии

Электронные устройства являются ключевым элементом нашей повседневной жизни. Представьте, как было бы здорово иметь возможность заряжать эти устройства без использования проводов. Развитие технологии беспроводной передачи энергии дает нам такую возможность, упрощая зарядку и подзарядку электронных устройств, в том числе и нескольких устройств одновременно. По мере развития технологии беспроводная зарядка электронных устройств находит применение в новых сферах — от телефонов до электромобилей.


Точки для беспроводной зарядки, размещенные в кофейне. Автор фотографии Veredai из компании Powermat Technologies — собственная работа, по лицензии Wikimedia Commons.

Как мы уже отмечали, технология беспроводной передачи энергии достаточно универсальна, поскольку она обеспечивает передачу электрической энергии без использования твердотельных кабелей и проводников. В общем случае энергия между двумя отдельными объектами передается посредством электромагнитного поля. Модуль передачи энергии, подключенный к источнику питания, создает магнитное поле, а модуль приема энергии принимает и преобразует энергию в подходящую для использования.

Простая иллюстрация процесса беспроводной передачи энергии. Слева представлен модуль передатчика, а справа — модуль приемника.

Положение модулей передатчика и приемника относительно друг друга является важной составляющей работы некоторых систем беспроводной передачи энергии, так как оно может оказывать значительное влияние на передачу энергии. В этом случае для того, чтобы зарядить то или иное электронное устройство, его необходимо точно размещать на контактной площадке модуля передачи энергии. Но с какого момента отсутствие точной подстройки модулей передатчика и приемника начинает оказывать негативное влияние на процесс передачи энергии?

Для того чтобы ответить на вопрос, каким образом взаимное расположение влияет на работу антенн беспроводной передачи энергии, обратимся к моделированию.

Анализ антенн для беспроводной передачи энергии

Учебная модель, с которой мы сегодня будем работать, исследует процесс передачи энергии между круглыми рамочными антеннами. В этом примере каждая антенна выполнена из пластины из фторопласта (PTFE), на поверхность которой нанесен тонкий слой меди, моделируемый как идеальный электрический проводник.

На каждой из антенн есть сосредоточенная катушка индуктивности и сосредоточенный порт, который возбуждает антенну и прекращает ее работу. Рабочая частота УВЧ RFID-компонентов антенн составляет 915 МГц, а их форма заведомо обеспечивает возможность индуктивной связи.


Геометрия модели. Обратите внимание, что в модель не включены воздушная область и идеально согласованные слои.

В модели представлены две антенны: антенна-приемник выполнена вращающейся, в то время как положение антенны-передатчика фиксировано. Данная модель аналогична ситуации, при которой положение зарядного устройства неизменно, а мобильный телефон размещается на нем под различными углами.

Изменение направленности антенны позволяет нам определить влияние изменения положения на передачу энергии. Для визуализации данного явления мы моделируем распределение электрического поля и поток энергии, поступающий от передатчика к приемнику под различными углами.


Норма электрического поля и поток энергии (векторная диаграмма) между антеннами для беспроводной передачи энергии.

Мы видим, что, когда антенны направлены в сторону друг друга (угол вращения антенны-приемника составляет 0 градусов), их поля сильно взаимосвязаны, что свидетельствует об успешной беспроводной передаче энергии. Однако к тому моменту, когда величина угла вращения антенны-приемника достигает 90 градусов, мы не наблюдаем никаких изменений поля при прохождении энергии сквозь антенну-приемник. При таком положении передача энергии практически не происходит, так как на поверхности антенны почти не образуется контактное пятно. Таким образом, мы приходим к выводу, что под данным углом передача энергии между двумя антеннами значительно сокращается.

В дальнейшем мы сможем расширить функциональность антенн для беспроводной передачи энергии, создавая системы, сохраняющие свои эксплуатационные характеристики в широком диапазоне взаимных расположений, что позволит заряжать электронные устройства, не задумываясь об их положении.

Обзор технологии передачи данных, передатчиков, приемопередатчиков семейства ADF7xxx фирмы Analog Devices

Приемопередатчики семейства ADF7xxx обеспечивают надежную связь и высокое качество сигнала при минимальном энергопотреблении. Эти передатчики спроектированы для работы в нелицензируемых диапазонах в таких областях, как дистанционное управление и идентификация, а также беспроводные системы сбора данных. Передатчики фирмы AD выпускаются в двух вариантах: для североамериканских и европейских диапазонов, требуют минимума внешних компонентов и способствуют снижению стоимости и повышению надежности готовой продукции.

Однокристальные передатчики для систем беспроводной передачи данных ADF7010/7011

Микросхемы ADF7010 и ADF7011 представляют собой однокристальные передатчики для систем беспроводной передачи цифровых данных на небольшие расстояния в нелицензируемых диапазонах частот ISM (диапазоны, отведенные для промышленных, научных и медицинских радиоприборов) при скорости передачи данных до 76,8 кбит/с. ИС ADF7010 работает в полосе частот 902–928 МГц, которая отведена для этих целей в Северной Америке, тогда как ADF701 1 предназначена для работы в Европе и имеет соответствующие диапазоны частот (868–870 МГц и 433-435 МГц). В обеих микросхемах имеется генератор с ФАПЧ, включая генератор, управляемый напряжением (ГУН, VCO — Voltage Controlled Oscillator). Обе микросхемы могут работать в режиме амплитудной модуляции (ASK), частотной модуляции (FSK), частотной модуляции с гауссовской огибающей (GFSK) или модуляции включением/выключением (OOK). Любой из перечисленных видов модуляции формируется микросхемой при помощи цифровых методов, что обеспечивает минимизацию числа внешних компонентов.

Рис. 1. Структурная схема приемопередатчиков ADF7010 и ADF7011

Выходная мощность, разнос каналов и выходная частота программируются с помощью четырех 24-разрядных регистров. Загрузка управляющих регистров осуществляется посредством трехпроводного синхронного последовательного интерфейса. Мощность выходного сигнала задается в диапазоне от –16 до +12 дБм с шагом 0,3 дБ. Напряжение питания приборов может находиться в диапазоне от 2,3 до 3,6 В, ток потребления — 8 мА при выходной мощности 8 дБм. В режиме пониженного энергопотребления ток потребления составляет не более 1 мА. Выпускается данная ИС в технологичном 24-выводном корпусе для поверхностного монтажа типа TSSOP.

Рис. 2. Схема включения приемопередатчика ADF7010

Однокристальный передатчик для передачи данных ADF7012

ADF7012 — это экономичный однокристальный передатчик для передачи данных в диапазоне 75 МГц… 1ГГц, который может применяться в таких областях, как дистанционное управление, удаленное управление доступом и беспроводное подключение датчиков. ADF7012 имеет встроенный синтезатор частоты с ФАПЧ. Встроенный стабилизатор напряжения обеспечивает стабильность параметров передатчика во всем диапазоне питающих напряжений. Выходная ВЧ-мощность может ступенчато меняться от –16 до +14 дБм с шагом 0,4 дБм. Скорость беспроводной передачи данных может составлять до 150 кБит/с. Микросхема работает при напряжении питания +2,3…+3,3 В. При работе на частоте 315 МГц и выходной мощности 0 дБм ток потребления составляет около 10 мА.

Выпускается данная ИС в корпусе TSSOP24.

Трансиверы для беспроводной передачи данных ADF7020/ ADF7020–1

Данные трансиверы предназначены для организации ближней связи в составе систем домашней и промышленной автоматики, беспроводных измерительных систем и систем сигнализации. Это экономичные супергетеродинные трансиверы с нулевой промежуточной частотой, т. е. их приемники построены по схеме прямого преобразования. Приемник имеет высокие коэффициенты подавления соседнего и зеркального каналов.

Трансиверы ADF7020 предназначен для работы в диапазонах 433…435 МГц и 862…928 МГц. ADF7020–1 рассчитан на диапазон 135…650 МГц, включая популярные диапазоны 315 и 433 МГц.

Скорость передачи данных составляет от 0,3 до 200 кбит/с для частотной манипуляции (FSK) и от 0,3 до 64 кбит/с для амплитудной манипуляции (ASK). Напряжение питания составляет +2,3…+3,6 В. Выходная мощность передатчиков может ступенчато меняться от –16 до +13 дБм с шагом 0,3 дБм.

Чувствительность приемника составляет — 117,5 dBm (при скорости передачи данных 1 кБит/с, модуляция FSK), — 110,5 дБм (9,6 кбит/с, FSK) и — 106,5 дБм (1 кБит/с, АSK).

В данных трансиверах имеются: встроенный генератор, управляемый напряжением (VCO), цепь ФАПЧ, индикатор мощности приема (RSSI), датчик температуры, обеспечивающий точность установки частоты ±1*10 -6 при использовании дешевого задающего кварца с точностью 100*10 -6 .

Ток потребления составляет 19 мА в режиме приема и 22 мА в режиме беспроводной передачи данных (при выходной мощности +10 дБм). В режиме энергосбережения (power down) микросхема потребляет менее 1 мкА.

Важной особенностью этих трансиверов является наличие встроенного 7-разрядного АЦП, который может оцифровывать сигнал с внутреннего датчика температуры, сигнал мощности или любой внешний сигнал.

Выпускается данная ИС в компактном 48-выводном корпусе MLFCSP размером 7×7 мм.

Приемопередатчики для беспроводной передачи данных ADF7025

ADF7025 — это экономичный высокоинтегрированный трансивер прямого преобразования, работающий в диапазонах 431…478 МГц и 862…956 МГц с модуляцией FSK/GFSK, соответствующий спецификации FCC 15.247. Необходимо всего лишь несколько внешних компонентов для получения полнодуплексного или полудуплексного режима с разделением радиочастотного канала по времени.

Трансивер ADF7025 выпускается в 24-х выводном корпусе TSSOP.

Трансивер для передачи данных ADF7901

ИС ADF7901 — это высококачественный недорогой передатчик, обладающий малым энергопотреблением и предназначенный, в первую очередь, для бытовых приборов радиоуправления и радиоуправляемых игрушек. В микросхеме имеется петля ФАПЧ с дробным делителем в цепи обратной связи и встроенный ГУН, обеспечивающий частоту выходного сигнала в пределах от 369,5 до 395,9 МГц.

Выбор частотного канала осуществляется посредством простого трехразрядного интерфейса. Это позволяет применять данную ИС без управляющего микроконтроллера, что способствует упрощению конструкции и снижению стоимости устройства в целом.

Передатчик может работать в режиме модуляции включением/выключением (OOK) или частотной модуляции (FSK), обеспечивая выходную мощность +12 дБм на частоте 384 МГц при потребляемом токе 26 мА.

Модуляция включением/выключением (OOK) в микросхеме ADF7901 осуществляется путем подачи управляющего сигнала на вход усилителя мощности (PA — power amplifier). Встроенный генератор (VCO) работает на удвоенной по сравнению с выходной частоте, которая затем делится на два, что снижает коэффициент прямого прохождения сигнала PA. Поэтому можно без труда получить коэффициент модуляции более 50 дБ.

Выходная мощность в различных режимах модуляции устанавливается резисторами RSET_FSK и RSET_OOK. Вход СЕ позволяет перевести микросхему в выключенное состояние, при этом потребляемый тока составит 0,1 мкА (типовое значение).

Рис. 5. Структурная схема передатчика ADF7901

Выпускается данная ИС в 24-выводном корпусе TSSOP.

Заключение

На все передатчики и трансиверы фирма Analog Devices выпускает соответствующие оценочные платы, позволяющие быстро ознакомиться с работой данных ИС, оценить их возможности и характеристики и разработать на базе оценочной платы свое устройство — все это позволяет сэкономить инженерный труд, стоимость которого непрерывно растет, и быстрее выпустить свое изделие на рынок.

Фирмой Analog Devices разработана программа ADIsimLINK для моделирования и разработки систем на базе трансиверов ADF7xxx. При использовании программы ADIsimLINK, поставляемой в комплекте с оценочной платой, разработчик может быстро спроектировать и оптимизировать систему связи и свести к минимуму время выхода на рынок.

Ознакомиться с полным списком оценочных плат, программных драйверов и сопутствующей документацией можно на сайте.

4/2016

Диверсификация IoT при помощи технологии Sub-1 GHz

Жанна Копли (Jeanna Copley)

По мере того как «Интернет вещей» (IoT) эволюционировал, одним из его наиболее примечательных аспектов было разнообразие. Начав с довольно скромного этапа подключения к Интернету бытовых приборов или счётчиков воды и электричества, IoT теперь отбрасывает гораздо больше тени, добираясь до розничных и промышленных рынков, таких как электронные ценники, логистика, поисково-спасательное оборудование, сельское хозяйство и другие новые области применения. Некоторые эксперты ожидают, что к 2020 году 50 миллиардов устройств станут частью мирового IoT.

Однако с каждым новым случаем использования IoT появляется новый уникальный набор технических рабочих характеристик. К счастью, технология беспроводной связи удовлетворяет многим наиболее жёстким требованиям, в настоящее время бросающим вызов разработчикам систем IoT. Конечно, не какое-то одно преимущество технологии делает её таким мощным решением для многих из этих применений, а, скорее, сочетание её существенных возможностей и их адаптируемости к конкретным потребностям применения. В этой статье мы рассмотрим четыре преимущества технологии в том числе дальнодействие, спектр, низкую мощность и гибкость программного обеспечения.

Дальнодействие приёмопередатчиков и беспроводных микроконтроллеров (МК) технологии уже делает возможными новые типы применений IoT. Некоторые испытания показали, что передачи имеют эффективный диапазон, превышающий 100 км. Кроме того, занимая частотные ISM-диапазоны (предназначенные для промышленной, научной и медицинской аппаратуры) в беспроводном спектре ниже 1 ГГц, связь по технологии избегает значительно более перегруженного частотного диапазона 2,4 ГГц, где работают Wi-Fi ® , Bluetooth ® Smart, ZigBee ® и другие протоколы беспроводной связи. В менее занятом частотном диапазоне сети IoT будут более надёжными и способными к масштабированию для охвата зон большей площади. Дополнительная эффективность от работы в неперегруженном частотном диапазоне, а также несколько других факторов также снижают потребляемую устройствами мощность. Действительно, некоторые конечные узлы смогут работать до 10 лет на одной батарейке-таблетке. Другой критически важной характеристикой является гибкость и совместимость программного обеспечения беспроводной технологии Разработчики могут быстро отличить свои изделия с характеристиками, которые создают конкурентоспособное преимущество на рынке.

Тем не менее при окончательном анализе оказывается, что технология превращается в одну из главных движущих сил, стоящих за IoT будущего, не только благодаря её уникальному набору характеристик, но и потому, что каждая характеристика подстраивается под уникальные требования каждого применения.

Беспроводная связь дальнего действия

Больший диапазон передачи сигналов беспроводных приёмопередатчиков и встроенных МК поставил в особое положение по сравнению с альтернативными технологиями. Это может быть особенно критичным для сетей IoT, которые могут быть достаточно разнообразными, охватывая целые дома или многоэтажные офисные здания или даже весь город или регион.

Эффективный радиочастотный (РЧ) диапазон сети будет определяться характером применения, которое задаёт скорость передачи данных и объем передаваемых по сети данных. При более низких скоростях данных дальность действия больше. В целом, наиболее современные приёмопередатчики конечных узлов сети и встроенные МК вооружены критически важными характеристиками, которые позволяют выполнять операции дальнего действия. Например, недавно представленный усовершенствованный беспроводной МК может воспринимать передачу сигналов при -110 дБм и скоростях передачи данных 50 кбит/с или, даже при меньшей скорости 0,625 кит/с, вплоть до -124 дБм. Помехи от других устройств беспроводной связи можно преодолеть с помощью 90 дБ блокировки, а уровни выходной мощности до +14 дБм гарантируют надёжную передачу сигналов для связи более дальнего действия.

Разнообразие сегодняшней технологии приёмопередатчиков достигло точки, в которой специфические требования по дальности применения IoT можно удовлетворить при помощи определённого устройства. Например, узкополосные и ультраузкополосные приёмопередатчики стали основной технологией в таких областях применения, как контроль расходомеров, полицейская радиосвязь, системы аварийной сигнализации и прочее, где скорость передачи данных может быть достаточно низкой, чтобы добиться более дальнего действия, и не требуется дополнительная интеллектуальность МК. В Европе стандарт беспроводной связи M-Bus (wM-Bus) для применений в области снятия показаний с измерительных приборов базируется на узкополосной технологии

Вдобавок к качествам дальности действия узкополосных и ультрау-зкополосных приёмопередатчиков некоторые усовершенствованные беспроводные МК имеют встроенный режим работы дальнего действия, так что устройство конечного узла может воспользоваться более широкими возможностями обработки МК и при этом получить большую дальность действия.

Гибкость архитектуры сетей также может влиять на дальность передачи сигналов. Сети можно сконфигурировать в любую из нескольких архитектур в соответствии с требованиями областей применения по дальности действия (рисунок 1). Например, сравнительно ограниченной сети с центральной точкой управления, такой как сеть автоматизации жилого здания, можно придать звездообразную архитектуру, базирующуюся или 6LoWPAN. Сетчатую архитектуру с множеством шлюзов можно использовать в качестве основы для более крупной сети, охватывающей заводскую территорию или сельскохозяйственное предприятие. Кроме того, ещё одной конфигурацией является двухточечная архитектура, которая может использоваться для передачи небольшого объёма данных, как, например, сообщение температуры или другого измерения датчика в центральный элемент управления.

Рисунок 1. Примеры полностью беспроводных сетей

Узкополосная Sub-1 GHz

  • Ширина полосы пропускания 25 кГц.
  • Разнесение каналов 12,5 кГц
  • Ширина полосы пропускания канала 10 кГц.
  • Типовые применения: контроль счётчиков расхода, сети SIGFOX и беспроводных датчиков.

Менее перегруженный спектр

Сети Sub-1 GHz избегают неприятностей, присущих полосе пропускания 2,4 ГГц, возникающих в результате перегруженности. Большая часть современного наиболее распространённого беспроводного оборудования работает в полосе пропускания 2,4 ГГц, включая точки доступа сети Wi-Fi ® и домашние беспроводные маршрутизаторы, ZigBee ® , Bluetooth ® , некоторые беспроводные телефоны, даже радионяни. Чрезмерный трафик в любой полосе пропускания радиочастотного спектра будет создавать проблемы для оборудования, работающего в этой полосе. Взаимные помехи и конфликт между множеством радиосигналов в полосе пропускания 2,4 ГГц могут разрушить информацию полезной нагрузки или заголовка в пакетах передачи данных, снижая пропускную способность запуском высокого уровня повторных передач или совсем лишая связи. Если беспроводная технология базируется на протоколе обнаружения конфликтов, как, например, Wi-Fi ® , то слишком большое количество конфликтов сигналов, вызванных перегруженностью полосы пропускания, может препятствовать доступу к радиоканалам или испортить работу беспроводной связи в близлежащей зоне.

Добавление 50 млрд устройств IoT в полосу пропускания 2,4 ГГц к 2020 году только ещё ухудшит ситуацию (рисунок 2). Кроме того, основополагающий характер высокого процента трафика IoT в будущем будет совершенно другим, в отличие от большей части трафика с большим количеством данных в полосе пропускания 2,4 ГГц, где потоковое видео, телефонные разговоры, загрузки из Интернета и другие соединения с высоким приоритетом могут занимать каналы на длительные периоды времени.

Рисунок 2. Перегруженная сеть 2,4 ГГц с множеством бытовых устройств

Значительное количество трафика IoT будет представлять собой короткие пакеты данных, передаваемые на замедленных скоростях для оптимизации дальности распространения сигналов. Поэтому имеет смысл выделить разным типам применений разные полосы пропускания в радиочастотном спектре.

Помимо этого, меньшая перегруженность сигналами позволяет сетям более легко расширяться, быстро увеличивая число устройств, поддерживаемых в одной сети, и расширяясь, чтобы покрывать большие расстояния. При меньшей перегруженности в сетях будет меньшая потеря данных, что является решающим фактором для ряда важных областей применения, подобных связи при чрезвычайных ситуациях или передаче обязывающей к действиям информации датчиков.

Сверхнизкая мощность

Сверхнизкое энергопотребление будет ещё одним обязательным требованием для многих устройств IoT. Действительно, только одно питание 50 млрд устройств IoT уже будет представлять большую проблему. К счастью, многие устройства конечных узлов сети потребляют удивительно мало энергии. Многие устройства, наподобие узлов с датчиками или мониторов расходомеров, могут работать на одной батарейке-таблетке до 10 лет или даже дольше благодаря некоторой разновидности собирающей энергию системы, вроде солнечной панели. Низкая мощность особенно важна для установок в труднодоступных или недоступных местах, поскольку замена батарейки, например, в узле с датчиком может быть достаточно дорогостоящей и опасной для человека, выполняющего такую замену, или почти невозможной, если узел был установлен, например, на метеорологическом спутнике.

Кроме того, сверхнизкое энергопотребление конечных узлов сети достигается без ущерба для дальности действия или выходной мощности сигнала. Например, недавно представленный беспроводной МК имеет пиковое энергопотребление только 5,5 мА при приёме и выдаёт 22,6 мА при передаче при +14 дБм.

Вдобавок это ядро микроконтроллера ARM ® Cortex ® -M3 потребляет всего 51 мкА мощности на мегагерц производительности обработки. Более того, это устройство было интегрировано с изощрёнными алгоритмами управления питанием, которые будут помещать части системы в режим сна, в котором потребляется всего 0,6 мкА мощности, сохраняя при этом содержимое памяти.

Гибкость программного обеспечения

Программная среда, окружающая организацию сетей особенно хорошо побуждает к креативным инновациям. Соответствие стандарту дало разработчикам готовые к использованию решения, которые, в общем и целом, сразу же работают так, как ожидалось. Кроме того, открытые отраслевые стандарты всегда стимулируют развитие вспомогательной экосистемы инструментов и средств разработки. Для организации сетей эти факторы ускорили развёртывание новых топологий беспроводного сетевого взаимодействия, таких как 6LoWPAN, и другие.

Рисунок 3. Сложное управление питанием в некоторых беспроводных МК сети может отключать большую часть узла сдатчиком, чтобы батарейки-таблетки могли служить до 10 лет

Вновь представленные МК для беспроводной сети являются в высокой степени программируемыми и щедро снабжены ресурсами, что ещё больше повышает гибкость программного обеспечения устройств конечных узлов (рисунок 4). В отличие от простых приёмопередатчиков беспроводные МК содержат процессорное ядро, такое как ядро ARM ® малой мощности, для обработки прикладных задач. Простота программирования этих беспроводных МК позволяет разработчикам устройств конечных узлов и изготовителям оборудования быстро встраивать различную функциональность в свою продукцию, такую функциональность, которая будет выделять их продукцию в конкурентных ситуациях.

Рисунок 4. Беспроводной МК сверхнизкой мощности от TI

Наиболее совершенные из таких беспроводных МК вооружены полным набором ресурсов, которые упрощают разработку программного обеспечения.

Чрезвычайно адаптивный беспроводной МК SimpleLink™ содержит ядро ARM ® радио сверхнизкой мощности, периферийные устройства и встроенную подсистему контроллера датчика, которая экономит питание, выводя остальную часть устройства из режима сна, только когда это необходимо.

Включение операционной системы реального времени, драйверов, периферийных интерфейсов и, хотя бы в одном случае, контроллера датчика означает, что разработчики программного обеспечения могут сконцентрироваться на разработке инновационных функций и не беспокоиться о том, как им встроить в устройство основные устройства.

Кроме того, программная среда такого рода является также огромным преимуществом для поставщиков сетевого оборудования, которые хотят использовать своё собственное фирменное программное обеспечение. Инструменты программирования, платформы разработки, библиотеки интеллектуальной собственности и другие вспомогательные функции сократят время от замысла до внедрения на рынок новых патентованных систем.

Заключение

«Интернет вещей» (IoT) будущего станет увлекательным местом. Каждый день креативные разработчики генерируют идеи инновационных применений IoT, вызывая подспудное нарастание спроса на технологию беспроводной связи с новыми возможностями и наборами функций. отвечает. Приёмопередатчики и беспроводные обеспечивают возможности, необходимые системам IoT следующего поколения, и, что важно, эти функциональные возможности можно адаптировать к единичным требованиям любого и каждого применения.

Беспроводная передача энергии микроволновым излучением

Представляется концепция распространения мощности без использования проводов, т. е. передача энергии микроволновым излучением из одного места в другое, чтобы, возможно, уменьшить потери.

Эта концепция известна как беспроводная передача микроволновой энергии.

Также представлены преимущества, недостатки, биологическое воздействие и применение передачи энергии микроволновым излучением.

Вообще применяются три основных способа беспроводной передачи энергии:

  • через магнитные катушки;
  • лазером;
  • микроволновым излучением.

Одной из основных проблем в энергосистеме являются потери, возникающие при распространении и распределении электроэнергии. По мере того как требование в энергии увеличивается день за днем, производство и потери также увеличиваются. Большая часть потерь мощности происходит во время транспортировки и распределения.

Процент потерь мощности при передаче и распределении приблизительно равен 26%. Основной причиной потерь электроэнергии при передаче и распределении является сопротивление проводов, используемых для электросети. Эффективность распределения энергии может быть улучшена к некоторому уровню путем использования высокопрочной смеси сверхпроводящих проводников. Но, распределение энергии все еще неэффективно.

По данным электроэнергетическая сеть имеет высокие потери передачи и распределения в мире – огромные цифры 26%, опубликованные различными учреждениями и 30%, и более 40%. Это связано с техническими потерями, неэффективностью сети и хищениями.

Примеры транспортировки энергии по воздуху

Рассмотренная выше проблема может быть решена путем выбора альтернативного варианта распределения энергии, который мог бы обеспечить гораздо более высокую эффективность, низкую стоимость передачи и избежать хищения энергии. Передача энергии микроволновым излучением является одной из перспективных технологий и может стать достойной альтернативой.

Беспроводной передачей энергии занимался еще Никола Тесла, который показал, что он действительно “отец беспроводной связи”. Никола Тесла первым задумал идею беспроводной передачи энергии и еще в 1891 году продемонстрировал “передачу электрической энергии без проводов”, которая зависела от электропроводности.
В 1893 году Тесла продемонстрировал освещение вакуумных ламп без использования проводов для передачи электроэнергии на Всемирной Колумбийской экспозиции в Чикаго. Башня Уорденклиффа была спроектирована и построена Теслой главным образом для беспроводной передачи электроэнергии, а не телеграфии.

  • В 1904 году дирижабль с двигателем 0,1 лошадиной силы приводился в движение путем передачи мощности через пространство с расстояния не менее 30 метров.
  • В 1961 году была опубликована первая статья, предлагающая микроволновую энергию для передачи энергии, а в 1964 году продемонстрирована модель вертолета с микроволновым питанием, которая получала всю мощность, необходимую для полета от микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц из диапазона частот 2,4-2,5 ГГц, который зарезервирован для промышленных, научных и медицинских приложений.
  • Эксперименты по передаче энергии микроволновым излучением без проводов в диапазоне десятков киловатт были проведены в Калифорнии в 1975 году и на острове Реюньон (Индийский океан) в 1997 году.
  • Аналогичным образом, первый в мире самолет без топлива, работающий на микроволновой энергии с земли, был зарегистрирован в 1987 году в Канаде.
  • В 2003 году Центр летных исследований НАСА продемонстрировал модель самолета с лазерным питанием в помещении.
  • В 2004 году Япония предложила беспроводную зарядку электромобилей с помощью микроволновой передачи энергии. Новая компания представила технологию беспроводной передачи энергии на выставке потребительской электроники 2007 года.
  • Исследовательская группа физиков также продемонстрировала беспроводное питание лампочки мощностью 60 Вт с эффективностью 40% на расстоянии 2 м с использованием двух катушек диаметром 60 см.
  • Сейчас уже серийно выпускается беспроводная зарядка для смартфонов и других устройств.
  • Электромобиль Тесла и другие современные авто уже имеет встроенную беспроводную зарядку для смартфонов и не горами зарядка самого электромобиля.

Концепция беспроводной передачи энергии микроволновым излучением поясняется функциональной блок-схемой. На передающей стороне источник питания преобразует энергию в микроволны которые контролируются электронными управляемыми схемами. Передающая антенна излучает мощность равномерно через свободное пространство к антенне. На приемной стороне антенна принимает передаваемую мощность и преобразует микроволновую мощность в мощность постоянного тока. Передача осуществляется на частоте 2,45 ГГц или 5,8 ГГц. Другие варианты частот – 8,5 ГГц, 10 ГГц и 35 ГГц.

Самая высокая эффективность около 90% достигнута на частоте 2.45 ГГц.

Преимущества, недостатки и биологическое воздействие

Преимущества

Преимущества беспроводной передачи энергии микроволновым излучением в том, что способ полностью устраняет существующие кабели линий электропередачи высокого напряжения, вышки и подстанции между генерирующей станцией и потребителями и облегчает соединение электрогенерирующих станций в глобальном масштабе.

Способ имеет больше свободы выбора приемника и передатчиков. Даже мобильные передатчики и приемники можно выбрать для этой системы. Стоимость передачи и распределения станет меньше, а стоимость электроэнергии для потребителя также будет снижена. Потери передачи являются незначительными в беспроводной передаче энергии, поэтому эффективность этого способа значительно выше, чем проводная.

Недостатки

Капитальные затраты на практическую реализацию передачи энергии микроволновым излучением кажутся очень высокими и другим недостатком концепции является интерференция СВЧ с существующими системами связи.

Существуют распространенные убеждения, что биологические воздействия микроволнового излучения опасны. Но исследования в этой области неоднократно доказывают, что уровень микроволнового излучения не будет выше дозы, полученной при открытии дверцы микроволновой печи, то есть он немного выше, чем выбросы, создаваемые сотовыми телефонами. Сотовые телефоны работают с высокими плотностями мощности. Таким образом, воздействие микроволновым излучением также будет ниже существующих руководящих принципов безопасности.

Концепции и применение

Существует еще одна концепция генерации энергии путем размещения спутников с гигантскими солнечными батареями на геосинхронной орбите Земли и передача энергии микроволновым излучением на землю, является крупнейшим будущим применением.

Другое применение передачи энергии микроволновым излучением – это движущиеся цели, такие как самолеты без топлива, электромобили без топлива, движущиеся роботы и ракеты без топлива.
Технологические разработки в области передачи энергии микроволновым излучением имеет преимущества, обсуждаются также недостатки, биологическое воздействие и применение.
Эта концепция предлагает большие возможности для распространения мощности с незначительными потерями и легкостью, чем любое изобретение или открытие, сделанное до сих пор. Ученые утверждают: “вам не нужны кабели, трубы или медные провода для получения энергии. Мы можем послать её к вам как звонок сотового телефона – где вы хотите его, когда вы хотите его, в реальное время”.

Мы можем с уверенностью ожидать, что в ближайшие несколько лет чудеса будут вызваны применением беспроводной передачи энергии, если все условия будут благоприятными.

Читайте также:  Автоматический блок управления электрокоптильней
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector
Отличительные особенности:
Передатчик IDTP9030Приемник IDTP9020
  • Однокристальное решение мощностью 5 Вт, отвечающее требованиям стандарта Qi
  • Спецификация WPC версия 1.1
  • Диапазон входного напряжения: 19 В ±1 В
  • Интегрированный полумостовой инвертор
  • Схема управления с обратной связью мощностью передачи между базовой станцией и мобильным устройством
  • Модуляция/демодуляция пакетов сообщений в соответствии требованиям WPC
  • Стабилизированный DC/DC преобразователь на 5 В
  • Интегрированная схема сброса
  • Специализированный канал обратной связи с приемником
  • I 2 C интерфейс управления
  • Выходы с открытым коллектором подключения светодиодов индикации статуса
  • Функция обнаружения посторонних предметов (FOD)
  • Схема защиты от перегрева, перегрузок по току и напряжению
  • 64-битная схема защиты и шифрования данных
  • Диапазон рабочих температур: -40…+85°C
  • 48-выводной корпус QFN размером 6 х 6 мм
  • Однокристальное решение мощностью 5 Вт, отвечающее требованиям стандарта Qi
  • Спецификация WPC версия 1.1
  • Интегрированный синхронный мостовой выпрямитель
  • Интегрированный синхронный понижающий преобразователь напряжения
  • Интегрированные микроконтроллер, ROM и RAM память и АЦП
  • Интегрированный коммутатор USB для зарядки по USB интерфейсу
  • Схема управления с обратной связью мощностью передачи между базовой станцией и мобильным устройством
  • 64-битная схема защиты и шифрования данных
  • Функция обнаружения посторонних предметов (FOD)
  • Схема защиты от перегрева и перегрузок по напряжению
  • I 2 C интерфейс управления
  • Соответствует спецификациям WPC для применяемых катушек индуктивности
  • Выходы с открытым коллектором подключения светодиодов индикации статуса
  • Диапазон рабочих температур: 0…+85°C
  • 56-выводной корпус QFN размером 7 х 7 мм и 99-выводной WLCSP