Как получить электричество из воздуха

0 41 Время чтения: 3 мин.

Ну не совсем из воздуха, а из той энергии, которой пронизан современный мир.
В этой статье представлены две работы авторов harshithar76 и vidyashree.2105. В этих работах авторы расскажут о своих работах по «сбору» радиочастотного излучения и преобразованию его в электричество для практических целей. Работы объединены в одну статью, потому что авторы работали в рамках одного проекта.

Итак, начнем с первой схемы автора harshithar76.
Статья мастера демонстрирует прототип, который собирает энергию из окружающей среды через антенну. Схема работает, когда она находится рядом с источниками радиочастотного излучения, такими как Wi-Fi, сотовый телефон и т. д., Устройство собирает радиочастотную энергию из своего окружения, преобразует ее в постоянный ток и заряжает им суперконденсатор.

Инструменты и материалы:
-Высокочастотный диод HSMS 2860;
-Двухслойная плакированная медью плата;
-Разъем SMA для монтажа на печатной плате;
-Коаксиальный кабель (сопротивление 50 Ом);
-Резисторы — 47, 1К, 10КОм;
-Конденсаторы — 1пФ, 1нФ;
-Индуктор — 10nH;
-Провода и соединительные кабели;
-Супер конденсатор;
-Мультиметр;

Шаг первый: описание
Эта схема состоит из трех основных блоков:
Антенна
Схема согласования импеданса
Схема преобразователя RF в DC
Самая важная часть в реализации этого проекта — проектирование и изготовление антенны.
Антенна играет важную роль в конструкции комбайна радиочастотной энергии. В этом проекте мастер предпочел патч-антенну другим антеннам из-за ее характеристик, таких как низкий профиль, компактность, низкая стоимость изготовления, а также из-за того, что она поддерживает линейную и круговую поляризацию.

Шаг второй: проектирование патч-антенны с использованием программного обеспечения HFSS

С использованием программного обеспечения HFSS (High Frequency Structure Simulator), была разработана антенна со встроенным питанием, работающую на частоте 2,4 ГГц.

Чтобы спроектировать антенну в симуляторе, очень важно знать ее характеристики в соответствии с требованиями. При проектировании и изготовлении антенны необходимо учитывать несколько параметров.

Характеристики антенны:
Подложка : эпоксидная смола FR4 с относительной диэлектрической проницаемостью 4,4, тангенс угла потерь 0,009 и толщиной 1,6 мм.
Импеданс : 50 Ом
Размеры: Lg = 38.52 мм, Wg = 47.01 , Lp = 28.92 , Lg = 37.41 , a = 3 мм, b = 19 мм.
Для большего понимания можно посмотреть видео о разработке патч-антенны, ниже.

Шаг третий: моделирование схемы согласования импеданса с помощью программного обеспечения Multisim
Следующим шагом является моделирование схемы согласования импеданса.

Согласование импеданса необходимо для передачи максимальной мощности между антенной и преобразователем RF-DC. Эта схема используется в этом проекте, чтобы иметь минимальные возвратные потери и улучшить производительность системы.
Мастер выбрал схему T-match из-за ее высокой добротности и низкого коэффициента пульсации.

Схема согласования T спроектирована и смоделирована с использованием программного обеспечения Multisim.
Выходной сигнал этой схемы отмечается и сравнивается с практическим выходом.

Шаг четвертый: моделирование схемы преобразования RF в DC
Захваченная антенной низкоуровневая ВЧ-энергия подается в схему преобразователя ВЧ-постоянного тока через схему согласования импеданса. Полученные электромагнитные волны преобразуются в постоянный ток с помощью схемы, называемой «Удвоителем напряжения».
Преобразователь RF В DC сконструирован с использованием multisim, как показано на схеме ниже.

Шаг пятый: изготовление антенны
Дальше мастер переходит к изготовлению антенны в соответствии с проектом.
Во-первых, нужно подготовить пластину с использованием процесса химического травления.
Затем правильно установить и припаять разъем SMA.

И наконец, подключить коаксиальный кабель с сопротивлением 50 Ом к антенне, как показано на рисунке ниже.

Шаг шестой: изготовление схем согласования импеданса и преобразователя ВЧ-постоянного тока
Дальше собирает модули согласно схемы. Затем соедините все три блока. Подключает щупы осциллографа к выходным клеммам.
Также можно использовать цифровой мультиметр для измерения выходного сигнала.

Шаг седьмой: тестирование
Теперь можно проверить схему.
Как видно на осциллографе, конечный результат, т.е. полученное среднеквадратичное значение, выражается в милливольтах, что приблизительно равно значениям, полученным при моделировании.

Этот показатель не является постоянным, поскольку он полностью зависит от энергии RF. Результат может быть в милливольтах, а иногда и в вольтах, в зависимости от интенсивности радиочастотных энергетических волн.

Выходное напряжение постоянного тока может быть усилено путем добавления большего количества каскадов цепи удвоителя напряжения к преобразователю ВЧ-постоянный ток.

Этот результат был получен, когда цепь была размещена рядом с парой сотовых телефонов.

В следующем тесте мастер подключает к схеме суперконденсатор, который оставляет заряжаться в течение некоторого времени. После нескольких часов зарядки конденсатора измеряет его напряжение.

Шаг восьмой: вторая схема
Теперь переходим к другой работе, автора vidyashree.2105. Работа небольшая, поэтому уместим ее в один шаг.
Эта схема предназначена для сбора свободной энергии, т.е. радиочастотной энергии, поступающей от маршрутизаторов Wi-Fi, Bluetooth и т. д.
Радиочастотный сигнал сам по себе является сигналом с низкой энергией, поэтому захваченный выходной сигнал будет низким и будет изменяться в зависимости от окружающей среды.

Для схемы мастер использует следующие материалы:
Конденсаторы: 470 мкФ, 25В1 мкФ, 50 В
Стабилитрон: 1N4148
Перемычка- FM (для антенны)
Медный провод (SWG26)

Схема несложная.
Для зарядки конденсаторов подается высокочастотный переменный ток, диоды позволяют току течь только в одном направлении.
Для антенны используется перемычка. А позже к антенне прикрепляют медный провод длиной 2 метра для увеличения ее улавливающей способности.

Схему собирает методом навесного монтажа.

После сборки он тестирует схему. Мультиметр показывает 174 милливольт. Выходной сигнал очень низкий, так как радиочастотный сигнал сам по себе является сигналом с низкой энергией и также зависит от окружающей среды.

Через некоторое время схема была проверена с помощью цифрового осциллографа. Как видно на изображении, результат около 6,71 В. Это довольно таки неплохой результат.