El armario de carga inalámbrica
La electrónica impresa permite textiles electrónicos y dispositivos portátiles que funcionan con energía inalámbrica de radiofrecuencia
Un corredor regresa a casa después de realizar una carrera sólida de 5 kilómetros. Verifican su frecuencia cardíaca máxima y su frecuencia respiratoria máxima con un teléfono inteligente, luego se quitan la camiseta de seguimiento de estado físico antes de ducharse. En lugar de quitar un paquete de dispositivos electrónicos de la prenda, pueden tirarlo directamente a la lavandería porque esos dispositivos electrónicos están incrustados directamente en el tejido electrónico, lo que hace que la prenda se pueda lavar a máquina. Al final del ciclo de lavado, la camiseta se cuelga para secarse en el armario donde también se recarga de forma inalámbrica para estar lista para la próxima ejecución.
Esto puede parecer un anuncio del futuro, pero hoy es posible implementar un sistema de carga inalámbrica en los textiles electrónicos y otros dispositivos portátiles.
Carga inalámbrica de un vistazo
Hay una variedad de tecnologías de carga inalámbrica disponibles, que incluyen resonancia magnética, ultrasonido, radiofrecuencia (RF) y acoplamiento inductivo Qi. La opción de mayor alcance, y también el tema de este artículo, es RF. Esta tecnología envía una carga lenta por el aire y permite una conveniencia de «configurar y olvidar» donde los usuarios pueden simplemente colocar o colgar un tejido electrónico cerca del transmisor sin tener que preocuparse por la alineación exacta para la carga.
Un sistema de energía inalámbrico de RF consta de dos lados:
Un transmisor, Tx, colocado cerca del e-textil, como en un armario o cajón; y Un receptor, Rx, integrado en el e-textil.
El transmisor de RF, Tx, en el sistema de carga emite ondas de radio a una frecuencia específica. La antena receptora, el Rx y la red de emparejamiento recolectan entonces esa RF del aire, mientras que un chip convertidor convierte la RF en energía de CC utilizable (consulte la Figura 1).
Elementos a considerar al diseñar un sistema de energía inalámbrico RF
Transmitir — Tx: la frecuencia, el nivel de potencia y la ganancia de la antena son los tres elementos clave para un transmisor de potencia de RF. Primero, el país donde operará el transmisor da forma a su diseño: las asignaciones de banda de frecuencia local y los límites de salida de potencia dictan cuánta potencia puede transmitir el dispositivo y a qué frecuencias. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) gobierna todos los equipos de radio. La Parte 15 de las reglas de la FCC limita la energía que se alimenta a la antena Tx a un total de 30 decibeles-milivatios (dBm), o 1 Watt, y limita la ganancia de la antena a 6 decibelios en relación con la isotrópica (dBi), para un máximo de 36 dBm. o 4 Watts, de potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP). Se permiten diferentes combinaciones de potencia de salida y ganancia de antena, pero se mantiene el límite de 4W EIRP.
Esta regla de la FCC se aplica a todos los dispositivos de comunicación sin licencia que operan en tres bandas de frecuencia: 902-928 megahercios (MHz), 2,40-2,483 gigahercios (GHz) y 5,725-5,875 GHz. Los transmisores utilizados en los Estados Unidos deben cumplir con estos límites.
Cada país tiene sus propias reglas y restricciones para la asignación de frecuencias, los límites de potencia de salida y los requisitos de emisión para los dispositivos de transmisión de radio.
Recibir — Rx: Afortunadamente, el lado del receptor de la red de energía inalámbrica es más simple de diseñar porque los receptores de energía
Transmitir — Tx: la frecuencia, el nivel de potencia y la ganancia de la antena son los tres elementos clave para un transmisor de potencia de RF. Primero, el país donde operará el transmisor da forma a su diseño: las asignaciones de banda de frecuencia local y los límites de salida de potencia dictan cuánta potencia puede transmitir el dispositivo y a qué frecuencias. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) gobierna todos los equipos de radio. La Parte 15 de las reglas de la FCC limita la energía que se alimenta a la antena Tx a un total de 30 decibeles-milivatios (dBm), o 1 Watt, y limita la ganancia de la antena a 6 decibelios en relación con la isotrópica (dBi), para un máximo de 36 dBm. o 4 Watts, de potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP). Se permiten diferentes combinaciones de potencia de salida y ganancia de antena, pero se mantiene el límite de 4W EIRP.
Esta regla de la FCC se aplica a todos los dispositivos de comunicación sin licencia que operan en tres bandas de frecuencia: 902-928 megahercios (MHz), 2,40-2,483 gigahercios (GHz) y 5,725-5,875 GHz. Los transmisores utilizados en los Estados Unidos deben cumplir con estos límites.
Cada país tiene sus propias reglas y restricciones para la asignación de frecuencias, los límites de potencia de salida y los requisitos de emisión para los
dispositivos de transmisión de radio.
Recibir — Rx: Afortunadamente, el lado del receptor de la red de energía inalámbrica es más simple de diseñar porque los receptores de energía
inalámbricos generalmente no requieren certificaciones de comunicaciones locales. Hay tres variables principales a considerar: la frecuencia, la ganancia de la antena y el rango de potencia de entrada recibido esperado relacionado con la distancia desde el transmisor.
Empecemos por la frecuencia. Los diseñadores pueden calcular el nivel de potencia de RF recibida a una distancia determinada en el campo lejano utilizando la ecuación de Friis. Esta ecuación muestra que las frecuencias de radio más bajas tienden a entregar energía de manera más eficiente que las frecuencias más altas en las mismas circunstancias, por ejemplo, la misma potencia Tx, ganancia de antena Tx y ganancia de antena Rx (ver Figura 2).
La frecuencia elegida afecta la distancia de carga en una red de energía inalámbrica RF (WPN). A frecuencias más bajas, como las de las bandas RFID industriales, científicas y médicas (ISM) comunes, los receptores generalmente pueden operar más lejos del transmisor y tienden a ofrecer un tiempo de carga superior. Por otro lado, las WPN que operan a frecuencias más altas, como 2,45 GHz, pueden acomodar antenas más pequeñas en los extremos Tx y Rx, lo que atrae tanto a los ingenieros como a los directores de tecnología en la búsqueda actual de lograr dispositivos cada vez más pequeños.
A continuación, ¿cuánta potencia necesita el receptor? La ecuación de Friis demuestra que la potencia recibida cae como una distancia al cuadrado. Esto significa que los dispositivos portátiles que consumen mucha energía deberán cargarse cerca de una fuente de Tx, mientras que los dispositivos de menor potencia, como los sensores, pueden cargarse a distancias mucho mayores.
Por último, analicemos la ganancia de la antena. Las antenas de mayor ganancia capturan más potencia de RF pero inherentemente se vuelven más direccionales. Las antenas de menor ganancia son omnidireccionales, lo que significa que pueden recibir potencia de RF desde casi todas las direcciones.
En los textiles electrónicos como una camiseta de fitness, es posible implementar múltiples antenas receptoras y obtener lo mejor de ambos mundos: múltiples antenas capturan más potencia de RF como las antenas de alta ganancia, pero también pueden tener patrones omnidireccionales como las antenas de baja ganancia .
Una WPN, frecuencia, ganancia de antena y potencia de entrada están entrelazadas. Los diseñadores no pueden ajustar uno sin afectar al otro, por lo que deben considerar todos por igual al diseñar tanto la red de suministro de energí inalámbrica como uno o más dispositivos de recepción.
Electrónica impresa revolucionaria
Afortunadamente, una camisa o un pantalón corto proporciona un gran espacio para imprimir dispositivos electrónicos, a diferencia de los auriculares pequeños, los rastreadores de actividad física o los audífonos que ocupan menos espacio físico. Toda la prenda puede servir como un lienzo electrónico para implementar circuitos, pantallas, botones y antenas (ver Figura 3).
Para recargar, los consumidores simplemente colocarán un transmisor de potencia inalámbrico en el armario o cajón cerca de donde almacenan o cuelgan sus dispositivos portátiles inteligentes.
La carga de corto alcance y una gran huella física hacen que la carga inalámbrica sea un solución natural para prendas elegantes.
Carga rápida, gran tamaño
Los tableros de circuitos electrónicos rígidos o rígidos-flexibles son obviamente un obstáculo en las prendas inteligentes. Afortunadamente, al imprimir productos electrónicos en textiles electrónicos, la prenda en sí se convierte en la placa de circuito y aún puede doblarse y flexionarse. Los circuitos se pueden imprimir directamente en las prendas utilizando materiales conductores como las tintas metálicas sin partículas Liquid X® de Pittsburgh, o se pueden aplicar mediante transferencia térmica utilizando tecnología de empresas como Conductive Transfers Ltd. de Inglaterra. tintas conductoras y transferencia térmica de trazas: han abierto las puertas a las prendas inteligentes para el consumidor
Al crear una prenda inteligente recargable de forma inalámbrica utilizando energía inalámbrica RF, toda la prenda puede usarse como lienzo. Se pueden imprimir varias antenas de recepción de energía en la prenda, lo que crea un área grande para capturar la energía de RF enviada por el aire desde el transmisor y aumentará la velocidad de carga general de la prenda. Luego, se pueden montar otros pequeños componentes electrónicos en las trazas impresas, incluido el diminuto chip de energía inalámbrica que convierte la energía de RF en energía de CC utilizable; una batería; y cualquier otro componente que agregue la funcionalidad deseada, como sensores, LED, alarmas, rastreo por GPS o incluso pantallas biestables. Finalmente, para hacer que la prenda sea lavable, un encapsulante puede proporcionar una unión impermeable de alta resistencia para sellar todos los componentes electrónicos.
La capacidad de integrar dispositivos electrónicos en prendas inteligentes que son flexibles, duraderas y lavables, y eliminar los paquetes electrónicos tradicionales, rígidos y frágiles, cambia las reglas del juego (consulte la Figura 4).
Consideraciones sobre la batería
Con la funcionalidad de las prendas inteligentes de hoy en día, a veces sofocadas por el tamaño de la batería y también la necesidad de desconectar la batería para recargarla y lavarla, un sistema de recarga inalámbrico de bajo esfuerzo podría ofrecer textiles electrónicos avanzados al usuario diario.
Los fabricantes de prendas inteligentes de hoy en día utilizan a menudo baterías grandes que pueden durar varias sesiones sin recargarse, porque desconectar una batería antes de lavar la prenda y enchufarla para recargarla puede resultar engorroso para un usuario normal.
Si un usuario ya no tiene que pensar en el proceso de recarga y, en cambio, puede seguir una rutina típica de lavar y colgar la prenda, las baterías más pequeñas y de un solo uso se vuelven viables. La implementación de un sistema de carga inalámbrico de bajo esfuerzo puede permitir a los diseñadores implementar baterías de un solo uso.
La capacidad total del tamaño máximo tolerable de la batería podría usarse durante una sola sesión, de modo que los fabricantes pueden mejorar la prenda para realizar funciones adicionales; o reducir físicamente el tamaño de la batería para crear un producto final más liviano y menos voluminoso.
El futuro del armario de carga inalámbrica
Los textiles electrónicos avanzados se han implementado en entornos militares e industriales, y también se están expandiendo al mercado de consumo. Pero una batería agotada hace que los textiles electrónicos sean inútiles. La integración de redes de energía inalámbrica de RF para reemplazar los paquetes de baterías y garantizar una recarga sin fricciones y fácil de usar es una vía para evitar tales fallas. La carga por cable solo durará hasta donde alcance el cable, y la comunidad tecnológica se está acercando rápidamente a esa coyuntura.
Nota del editor: Charles Goetz es director ejecutivo de Powercast Corp., con sede en Pittsburgh. La compañía se especializa en soluciones de energía inalámbrica inalámbrica de RF para clientes que utilizan su conocimiento, propiedad intelectual y patentes en torno a la energía inalámbrica basada en RF.
Septiembre / Octubre 2021
Referencia: El armario de carga inalámbrica