Diseño, montaje y medida de un sistema de transferencia inalámbrica de energía

López Maroto, Pedro Diego (2016). Diseño, montaje y medida de un sistema de transferencia inalámbrica de energía. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM), Madrid.

Description

Title: Diseño, montaje y medida de un sistema de transferencia inalámbrica de energía
Author/s:
  • López Maroto, Pedro Diego
Contributor/s:
  • Ortega González, Francisco Javier
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación
Date: 27 June 2016
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Teoría de la Señal y Comunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En la actualidad, es cada vez más común el uso de dispositivos portátiles, convirtiendo lo inalámbrico en un valor añadido a cualquier producto. Sin embargo, es necesario que estos dispositivos tengan una fuente de energía, y en la mayoría de los casos, esta fuente es alguna batería que necesita recarga cada cierto tiempo. Por ello, tanto para la posible recarga de baterías como para la alimentación directa de dispositivos, la transferencia inalámbrica de energía puede ser una solución que de comodidad y, en algunos casos, solucione escenarios donde llevar un cable no sea posible, por ejemplo en medio del mar. Por eso, en este proyecto se van a estudiar los sistemas de transferencia inalámbrica de energía trabajando en campo lejano. Primero se planteará uno para la frecuencia de 6,7MHz y posteriormente, para la frecuencia de 2,45GHz, donde además se procederá a su implementación. La decisión de realizar solo el sistema para 2,45GHz es debida tanto al tamaño que se necesitaría para realizar una antena que funcione óptimamente a la frecuencia de 6,7MHz, como a la imposibilidad de trabajar con ellas en campo lejano. Un sistema de transferencia inalámbrica de energía para campo lejano está formado por tres bloques. Primero, la antena transmisora, que se encarga de mandar la energía desde la entrada. Después, la antena receptora, capaz de captar esta energía radiada. Por último, un circuito rectificador capaz de convertir esta energía captada y transformarla a corriente continua. Tanto en la antena que se utilizará como transmisora, como en la receptora, se va a buscar una cierta similitud para evitar problemas de polarizaciones distintas. Además, se intentará en este sistema de campo lejano priorizar la directividad ante la cobertura, ya que no se usarán potencias muy altas y demasiadas pérdidas podrían suponer un mal funcionamiento del sistema. Por tanto, los parámetros más importantes de la antena que se diseñe serán: el parámetro S11, el diagrama de radiación y la polarización. Para realizar las simulaciones correspondientes a las antenas que se van a estudiar en la realización del proyecto, se utilizará el software CST Studio y se buscará utilizar antenas que puedan realizarse en tecnología microstrip con sustrato FR-4. En cuanto al circuito rectificador, se realizará un estudio de tres de las topologías más utilizadas: serie, paralelo y multiplicador de tensión. Se implementarán rectificadores para ambas frecuencias de trabajo, pese a que posteriormente no se fabricará una antena para 6,7MHz. Esto nos servirá para comparar el rendimiento de este bloque en ambas frecuencias, así como el método de implementación necesario en cada una de ellas. En la realización del diseño de los rectificadores se utilizará el software AWR Microwave Office para realizar las distintas simulaciones que sean necesarias, utilizando los modelos SPICE de los componentes utilizados que proporcione el fabricante del mismo. Los rectificadores se realizarán en tecnología microstrip con sustrato FR-4 y los componentes serán preferiblemente SMD (Surface Mount Device). Por último, cuando todos los bloques hayan sido realizados, se medirá la eficiencia total del sistema definida como la relación entre la potencia total continua de salida y la potencia transmitida. ABSTRACT. Nowadays, it is very common using mobile devices and the wireless factor becomes an extra for any product. However, it is necessary, in this kind of devices, a power supply and, in most cases, this power supply is a battery that need to recharge occasionally. Thus, as a recharger or as a direct feeder, wireless power transmission can be a comfortable solution and, in some scenarios, where a wire can't be used, for example in the middle of the sea, be the main solution. Therefore, in this project, wireless power transmission systems for far field are going to be studied. First, I will propose one system for the frequency of 6,7MHz. Then, another system for 2,45GHz that later I will proceed to implement. The decision of make only the 2,45GHz system is due to the size of an antenna for the frequency of 6,7MHz that could work in an optimal way and also due to the impossibility of have a far field system in this frequency. A wireless power transmission system for far field is formed by three blocks. The first block is the transmission antenna which is responsible of sending energy from the input. The second block is the receiver antenna which is responsible of taking the energy that the transmission antenna has sent. Finally, the third block is a rectifier circuit which transforms the energy to direct current. I will try to use very similar antennas as transmitter and as receiver because this way there won't be problems with different polarizations. In addition, in this far field system, the priority will be the directivity instead of the coverage because the input power values will not be high and too many losses can mean that the system does not work. Therefore, the main parameters for the antennas will be: the S11 parameter, the radiation pattern and the polarization. For simulations involved in the design of the antennas for making this project, I will use the CST Studio software and the antennas will be made in microstrip technology with FR-4 substrate. Regarding to the rectifier circuit, I will make a study of three of the most used topologies: series, parallel and voltage multiplier. In this case, I will implement the two circuits, one for each frequency, despite the antenna for 6,7MHz will not be fabricated. After that, a comparative between the two circuits will be made, I will focus on the efficiency of both circuits and the different technologies used for implement them. For the design of the circuits, I will use AWR Microwave Office software for all the simulations, using the different SPICE models that manufacturers provide. The rectifiers circuits will be made with microstrip technology, the substrate will be FR-4 and the components will be mostly SMD. Finally, when all the blocks have been made, I will measure the total efficiency of the system that is defined as the ratio between output DC power and input transmission power.

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Item ID: 44095
DC Identifier: http://oa.upm.es/44095/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:44095
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 12 Dec 2016 09:05
Last Modified: 12 Dec 2016 09:05
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