Устройство преобразования радиоизлучения в постоянный ток

Заявляемое устройство относится к области энергетики, может быть использовано в беспроводных сенсорных системах и в мобильных устройствах в качестве альтернативного источника питания или для продления срока службы встроенного источника питания за счет использования побочного радиоизлучения коротковолнового диапазона различных электрических устройств.
Известно устройство (см. патент США на изобретение US 7084605 В2, М. кл. Н01М 10/44, опубл. 01.08.2006 г.), представляющее собой систему для сбора энергии из окружающей среды посредством использования антенны и схемы преобразования. Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для питания аккумуляторов целевых устройств, таких как телефоны и камеры. Техническим результатом является расширение спектра преобразуемых частот за счет использования нескольких антенн. Данное устройство содержит выпрямитель, перед которым стоит LC-контур для выбора принимаемых частот и антенна, которую можно подстроить для максимально эффективного приема энергии, накапливающий конденсатор, переключатель, осуществляющий связь между промежуточным устройством накопления (конденсатором) и потребляющей системой, систему контроля, регулирующую отдачу энергии конденсатора к потребляющему звену, и само потребляющее звено. В представленной схеме производится накопление энергии из определенного диапазона длин волн при подборе антенн и настройке входного контура на резонансные частоты.
Известно устройство по патенту США на изобретение US 20090152954 А1, М. кл. Н02М 3/18, опубл. 18.07.2009 г. Изобретение в основном относится к области преобразования и сбора энергии. Достигаемый технический результат - уменьшение уровня необходимой мощности входного сигнала за счет использования высокодобротного резонатора в схеме преобразователя. Один датчик из сенсорной системы имеет антенну, подключенную к интегральной схеме. Интегральная схема содержит приемник и передатчик сигналов датчика, которые подключаются к антенне, к которой, в свою очередь, также подключен преобразователь электромагнитных волн в постоянный ток. К преобразователю подключен накапливающий конденсатор, обеспечивающий питанием интегральную схему. Принимаемый и передаваемый сигнал обрабатываются в блоке полосовой обработки. Преобразователь электромагнитных волн состоит из антенны, блока согласования импедансов и выпрямителя. Преобразователь работает в области UHF-частот (902 МГц - 928 МГц). Блок согласования импедансов представляет собой высокодобротный резонатор, позволяющий накапливать энергию в рабочей области частот при мощности входного сигнала 5,5 мкВт. Выпрямитель представляет собой умножитель напряжения на CMOS-транзисторах. В целом, все устройство содержит также передатчик, формирующий излучение определенной частоты для потребителей (сенсоров). В предложенном устройстве необходимо вводить передатчик, от которого будут питаться потребители (сенсоры), схема согласования импедансов устройства трудно настраиваемая и работает в строго ограниченном диапазоне частот, а при наличии помех нарушается добротность схемы.
Известно устройство по патенту США на изобретение US 20140111032 А1, М. кл. H02J 17/00, опубл. 24.04.2014 г. Изобретение относится к области преобразования и сбора энергии. Достигаемый технический результат - расширение области применения харвестеров (сборщиков энергии). Устройство включает в себя альтернативный источник питания (солнечную батарею, пьезоэлемент), подключенный к управляющему звену и харвестеру. К харвестеру подключен также регулятор мощности, накапливающий элемент, антенна через устройство согласования, выпрямитель и управляющее звено. Основным источником питания для устройства служат волны радиочастотного диапазона. Устройство выполнено в двух вариантах. В первом случае оно питается высокочастотным узкополосным излучением AM и ФМ станций. Во втором случае излучение создается искусственно с помощью внешней рабочей станции. В предложенном патенте описываются различные варианты использования схемы альтернативного питания для большого числа приложений. Недостатками устройства являются: зависимость от приемопередающих станций или необходимость введения внешней излучающей станции, необходимость подбора элементной базы под каждый конкретный частотный диапазон.
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность питания сенсорной сети от шумов коротковолнового диапазона частот, излучаемых работающими электрическими устройствами.
Описанный технический результат достигается за счет того, что используется антенна KB-диапазона, которая соединена с блоком первичного преобразования, который, в свою очередь, соединен с блоком распределения энергии.
Структурная схема предлагаемого устройства поясняется на фиг. 1., в соответствии с которой преобразователь радиоизлучения в постоянный ток содержит  антенну, блок первичного преобразования (№ 1), включающий в себя устройство согласования и устройство преобразования (№ 2, № 3), который соединен с блоком распределения энергии (№ 4), включающим в себя сборщик энергии (№ 5) и переключатель (№ 6). К блоку распределения энергии также подсоединена батарея (№ 7), использующаяся как резервный элемент питания, ионистор (№8) и потребитель энергии (№9).
Процесс преобразования радиоизлучения в постоянный ток осуществляется следующим образом.
Изначально антенна улавливает электромагнитные волны, представляющие собой шумовые компоненты коротковолнового (KB) диапазона, и преобразует их в напряжение на выходе, которое поступает в блок первичного преобразования. Устройство согласования в блоке первичного преобразования осуществляет согласование импедансов антенны и устройства преобразования. Выходной сигнал из блока первичного преобразования попадает в блок распределения энергии. Вместе с блоком первичного преобразования к блоку распределения энергии подсоединены батарея, ионистор и потребитель. Блок распределения энергии необходим для принятия решения о том, каким образом будет питаться потребитель - от батареи или от ионистора. В случае достаточного уровня напряжения на входе осуществляется одновременная подзарядка ионистора и питание потребителя. Если энергии хватает только для питания потребителя - ионистор перестает заряжаться. Если заряда на ионисторе мало и энергии на входе недостаточно, то система переключается в режим питания от батареи. Выбор режима питания осуществляется в переключателе.
Рассмотрим возможную реализацию предлагаемой полезной модели устройства преобразования радиоизлучения в постоянный ток.
Блок первичного преобразования (№ 1) может быть реализован следующим образом
в качестве устройства согласования (№ 2) выступает резонансная цепь;
в качестве устройства преобразования (№ 3) - повышающий step-up трансформатор COILCRAFT LPR6235-752SML.
Блок распределения энергии (№ 4) может быть реализован следующим образом:
- в качестве сборщика энергии (№ 5) выступает харвестер фирмы LinearTechnologyLTC3108;
- в качестве переключателя (№ 6) - низкоимпедансный ключ, выполненный в форме сдвоенного р-канального полевого транзистора, соединенный с микроконтроллером СС1310, выполняющим управление.
Батарея CR2032 (№ 7). Преимущество литиевых батарей в том, что данный вид батарей сохраняет напряжение на выходе практически постоянным вплоть до глубокой разрядки.
Ионистор (№ 8) емкостью 0.1 Ф. Преимущество ионистора перед аккумуляторной батареей заключается в количестве циклов заряда-разряда.
В качестве антенны может выступать любая антенна KB-диапазона. Потребителем (№ 9) может быть датчик ZigBee.