Energía Inalámbrica

A pesar de que nuestro amigo Nikola Tesla lo había pensado ya hace casi un siglo, Hoy en día es más común encontrar dispositivos que se alimentan con energía inalámbrica, por ejemplo un caso muy común es el de las tarjetas RFID (aquellas tarjetas que uno acerca al lector para abrir una puerta, o cargar crédito), otro caso es en los telepeajes los cuales ya poseen una potencia mayor porque el telepeaje suele estar unos cuantos metros alejada del transmisor. Es decir estas tecnologías mencionadas son pasivas, y el funcionamiento es sencillo, se energiza de forma inalámbrica dicho RFID y una vez que llega a la tensión requerida se activa un circuito de radio que envía un id de forma inalámbrica al receptor en cuestión.
También podemos ver teléfonos celulares que cargan su batería sin conectar ningún cable, acercándolo a un dispositivo o bien apoyándolo sobre un dispositivo. La idea es la misma que en el RFID solo que no se requiere de un transmisor de id (aunque en algunos casos también se utiliza para validar el dispositivo y hacerlo menos compatible).
Para comprender el funcionamiento de este debemos abordar dos temas básicos, Transformadores y Sintonizadores de Radio.
Como podemos intuir cuando decimos transformador, nos imaginamos dos bobinas aisladas arrolladas en un núcleo, la cual una es inductora y la otra es inducida, es decir, una genera el campo magnético y la otra lo recibe, y en función de la cantidad de espiras de cada una será la relación de transformación. Ejemplo un transformador en el que entra 10V y salen 10V, es un transformador 1:1 es decir que tiene la misma cantidad de espiras en el primario que en el secundario. Si en cambio entran 10V y salen 5V, podemos decir que es un transformador reductor 2:1 en donde la cantidad de espiras en el secundario será la mitad de las del primario. Como podemos intuir si invertimos la relación entran 10V y salen 20V, entonces será 1:2, y el transformador será elevador.
Claro que depende también de cómo se alimente el mismo, al tratarse de una bobina se trata de un dispositivo para corriente alterna, pero en algunos casos se puede encontrar con una continua pulsante, lo que varia dicha tensión de salida a pesar de ser un transformador por ejemplo 1:2, a la salida podemos obtener un valor mayor, ya que los inductores poseen características especiales.
Retomando, en el caso de un transformador estándar para una fuente de alimentación lineal por ejemplo de 220Vac a 12Vac, el mismo tendrá una relación aproximada de 20:1 y como suelen ver en la práctica los mismos se encuentran en un núcleo de hierro tipo EI, estos transformadores están preparados (por cantidad de espiras y núcleo) para trabajar en 50/60Hz, pero contemplando la idea de que a menor espiras mayor frecuencia, si quisiéramos hacer un transformador que funcione a 1kHz, deberíamos tomar este, y reducirle su cantidad de espiras (todo debe ser calculado).
Si queremos por ejemplo hacer andar este transformador en 60kHz por ejemplo, la cantidad de espiras será significativamente menor a la cantidad que posee en 50Hz, y esto no es lo único a modificar, ya que el núcleo juega un papel importante, en función de la frecuencia el núcleo tendrá una respuesta diferente que puede jugarnos a favor o en contra. Por diversas propiedades físicas, a 60kHz nos será más eficiente un núcleo de ferrita, ahora bien, si tenemos un transformador que tiene muchas menos vueltas y otro núcleo, que tamaño podría tener?, bueno aquí viene la ventaja (entre otras), el tamaño y el peso son clave para un dispositivo moderno. Si tomamos una fuente de PC actual y una fuente de PC de hace 35 años, podemos notar 5kg de diferencia, y esto se debe al motivo mencionado, la frecuencia de trabajo. Un transformador que posee solo 20 vueltas en su primario y 5 en su secundario (a modo ejemplo) es un transformador que requiere menos cobre, por ende ocupa menor espacio. Si alguna vez desarmaron una fuente Switching o SMPS, pueden ver un transformador diminuto o un toroide, ese es el resultado de que el transformador opere a una frecuencia mayor a los 50Hz convencionales. Claramente hay que forzar dicho transformador ya que el suministro domiciliario funciona en 50Hz y tenemos que elevar dicha frecuencia a 60kHz (valor promedio), para esto tenemos que rectificar, filtrar, y hacer oscilar (switchear) nuestro transformador. Y en el secundario debemos rectificar y filtrar esta tensión (los componentes serán de acuerdo a la frecuencia de operación).
Retornando al tema. Si aumentamos aun más la frecuencia RF, el núcleo como les comentaba anteriormente debe seguir modificando su aspecto físico hasta llegar finalmente al núcleo de Aire, el cual tiene una respuesta Lineal que nos permite una correcta sintonía.
Ahora el siguiente tema, el sintonizador.                                                                
Como podemos intuir en este caso como estamos trabajando con un circuito resonante (donde el receptor debe estar en resonancia con el transmisor para obtener una excursión máxima) debemos analizar un simple circuito LC tanque, este se trata de un circuito resonante paralelo entre un inductor y un capacitor. Estos cumplen la función de realimentarse uno al otro, es decir, cuando el capacitor acumula llega al límite y descarga sobre la bobina, cuando la bobina acumula (campo magnético) se descarga en sentido inverso en el capacitor y esto se repite todo el tiempo.
Para que un circuito LC sea resonante la reactancia inductiva debe ser igual a la reactancia capacitiva, es decir XL=Xc, las reactancias son los valores de impedancia que representan cada uno de los componentes de este tanque en función a la frecuencia, es decir, un capacitor de capacidad fija, varia su reactancia en función de la frecuencia aplicada al mismo, la reactancia se mide en Ohms, de ahí el tema de un filtro por ejemplo, que represente una resistencia grande a una frecuencia determinada y una resistencia baja a otra frecuencia, entonces (atenúa mas a un rango que a otro y eso es un filtro). Volviendo al tema, En este dispositivo lo que hacemos es un transformador con núcleo de aire, es decir un inductor sobre el otro inductor, donde uno es el que induce y el otro es el inducido, entonces tenemos un transformador de núcleo de aire, que por las características mencionadas anteriormente funciona en frecuencias de radio (en nuestro caso alrededor de 500kHz) y necesitamos un circuito oscilador para el primario (al igual que en una fuente SMPS), en nuestro circuito se ha simplificado al máximo el circuito para una comprensión sencilla pero se puede mejorar ampliamente y obtener mayores prestaciones.
En este circuito podemos ver que el transmisor posee un transistor TIP31C (Debe montarse en un disipador) que se encargara de switchear el inductor y nuestro inductor será con tres terminales, es decir se arrollaran 30 espiras se creara una derivación y luego se seguirá arrollando 5 espiras mas.
Esto se hace así por la relación de transformación para que el feedback de frecuencia tenga un valor de tensión menor ya que es el que ingresara en la base de nuestro transistor (adaptada mediante R1 y C1), Este feedback lo que hace es tomar parte de la frecuencia del tanque LC (conformado por L1 pines 1 y 2, y C2).
La frecuencia de operación será la del circuito resonante LC.
En el receptor se realizara un inductor L2 de las mismas características físicas, 30 espiras, y para que entre en resonancia con el transmisor se debe utilizar un capacitor variable  C3 (para sintonizar dicha frecuencia al igual que lo hacemos en un receptor de radio.
Luego rectificamos con el diodo 1N4004, y alimentamos un led.
Ambos inductores serán de igual dimensiones, solo que el receptor no tendrá derivación y solo serán 30 vueltas.
Las dimensiones pueden ser modificadas y habrá que recalcular con las formulas de abajo.

Cálculos.


20 comentarios:

  1. Muy interesante. Sería bueno que L2 sea del doble o triple de su embobinado, para que la energía saliente pueda encender algo más que un LED.

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    1. Gracias, tendré en cuenta el cambio para una nueva prueba! Saludos!!!

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  2. disculpe tiene algun video de como realiza los calculos matematicos de la energia inalambrica ?

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    1. Buen día, tengo un vídeo de este post funcionando pero no de la explicación, lo voy a subir para que sea mas didáctico.
      Saludos.

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  3. por favor mandarme el link a mi correo ricardo_ebsm@hotmail.es
    de los calculos matematicos

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    1. Buen día, cuando suba el vídeo le envió el link al correo.
      Saludos.!

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  4. Hola Sebastian. Quisiera hacer este circuito, pues me parece interesante. Sólo algunas dudas:
    ¿las bobinas son con hilo AWG 22, u otra medida?
    ¿se puede sustituir el trimmer por un simple capacitor de 1nF, o es imprescindible el trimmer?

    Gracias y saludos.

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    1. Buen día Suso, las bobinas son AWG22, pero podes usar otra sección, mientras que no supere 1mm, lo ideal es al rededor de 0.5mm.
      Podes sustituir el trimmer, no hay problema, se utiliza el trimmer porque podes optimizar mas el rendimiento si lo sintonizas, pero no hay problema, probalo con un capacitor de 1nF.
      Saludos.

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    2. Perfecto!!! Gracias Sebastian. En cuanto tengo un hueco, pruebo a armarlo. El único trimmer que tengo es uno chiquito de 50pF. Probaré como me dices. Entiendo que el hilo tambien vale el de cable telefónico, que en su interior trae un par de AWG22, pues he armado toroidales para Ladron de Joules y me funciona.
      Gracias de nuevo.

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    3. Bueno, si te funciona el Joules Thief con ese alambre, calculo que te servirá también para este proyecto.
      Saludos!

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    4. Me surgió esta duda: ¿El arrollado de la bobina inductora es como muestro en el link de abajo? Creo entender: salida 1, se enrrollan 30 vueltas y se hace una derivación, la 2. A esa derivación, se le une otro trozo de hilo y se vuelve a enrrollar 5 vueltas y se saca la última salida, la 3. O sea, la salida 1 es un hilo de 30 vueltas, la salida 3 uno de 5 vueltas, y la derivación 2 pertenece a primer y segundo hilo.
      No sé si me expliqué bien...

      https://www.dropbox.com/s/d5nowrxgigjgtpp/Bobina%20Inductora.png?dl=0

      Gracias y saludos.

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  5. amigo amigo una pregunta, como calculaste el calibre del inductor. gracias!!!

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    1. Hola como estas?, lo que sucede con la seccion del cobre es que varia la resistencia de la bobina (de forma estatica), eso hace que varie tambien la corriente que la atravieza y por ende la potencia, la resistencia de la bobina (estatica) aumenta proporcional a la seccion, es decir mayor seccion mayor resistencia, e inversamente proporcional a la corriente, ya que a mayor resistencia menor corriente, pero esto es para el analisis en continua. La manera mas sencilla es usar la formula de conductancia R(Ohms)=Ro(del cobre)*L(longitud)/S(Seccion del cobre).

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  6. Hola Sebastian.
    Después de mucho tiempo armé el circuito y funcionó a la primera...!!!
    Tan solo cambié el transistor por un 2SD882 (reciclado) que tiene similares características de potencia pero un hfe de 100, y el trimmer de 1nF por un condensador de 1.5nF (no tenía otro de 1nF).
    Empecé con 3V y encendía el LED unos 1.5 cm. Luego fui subiendo el voltaje hasta llegar a los 10V, con los que el LED empezaba a encender a los 6 cm.

    ¿Qué voltaje máximo podemos introducir en el transmisor? ¿Elevando el voltaje se consigue más alcance?

    Gracias y saludos.

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    1. Hola!, como estas?
      Buenisimo que te funciona a la primera, la verdad es que no es muy critico en cuanto a los componentes del armado, es justo lo que uno pensaria que tiene que ser exacto pero en este caso para prender un led no hace falta que el circuito sea resonante y sintonizado. Claro esta que si el circuito esta en resonancia y bien sintonizado, el rendimiento sera mucho mayor.
      El tema de que tension se puede obtener en funcion de la distancia y la geometria de las bobinas es un poco complejo ya que saber con exactitud el comportamiento del campo electromagnetico en un punto cualquiera del espacio es complejo, al menos para tratarlo en un post. La manera mas sencilla de analizarlo es como un transformador con nucleo de aire, donde vamos separando en linea recta una bobina de la otra y asi podriamos calcular el cuadrado de la distancia y saber la atenuacion.
      Tendria que ver una manera sencilla de realizar la experiencia sin entrar en ecuaciones de Maxwell y postearlo aca.
      Saludos!

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    2. Gracias Sebastian. El tema es que con el transistor utilizado (2DS882), que tiene un Vceo de 30V podría subir el voltaje cerca de ese valor y comprobar si el alcance es mayor todavía, y si tendría que modificar la R de base o mantener la de 47K. Bueno, lo más que puede pasar es que achicharre el transistor, pero si puedo evitarlo.
      ¿El circuito transmisor se podría realizar con un 555 o similar, con el que podríamos variar la frecuencia para sintonizar, en vez de hacerlo en el receptor?

      Gracias nuevamente y saludos.

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    3. Hola!, si totalmente, es mas podrías usar algún circuito generador PWM como el MC34063, TL494, SG3524, etc... y el 555 sin problemas.
      Esto podrías enlazarlo a un transistor MOSFET y obtener un mejor rendimiento en corte y saturacion.
      Tene en cuenta la frecuencia de trabajo resonante ya que si esta en el orden del MHz puede que baje el rendimiento con algún circuito excitador que no opere en esos valores, por ahí te convenga hacer un oscilador con cristal y compuertas, así podes manejar mas sencillamente frecuencias del orden del MHz y usar menos espiras en el transmisor.
      Tendría que probarlo en algún momento.
      Saludos!

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    4. Gracias nuevamente Sebastian.

      Muchos saludos.

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  7. Hola Sebastian. Estoy trabajando en un proyecto de transmisión inalámbrica, necesito transmitir por lo menos 5 W de potencia, ¿qué circuito de potencia me recomendarías utilizar?

    Gracias y saludos.

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