Sistema de transmissão de energia sem fio por radiofrequência para alimentação de sensores sem fio

dc.contributor.advisorZaions, Deividi Felipe
dc.contributor.authorLoreian, Eduardo Spanhol
dc.date.accessioned2025-03-10T21:38:24Z
dc.date.issued2024
dc.degree.departmentEngenharias e Ciência da Computação
dc.degree.grantorUniversidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões
dc.degree.initialsURI Erechim
dc.degree.programEngenharia Elétrica
dc.description.abstractThe present academic work proposes the study and development of a wireless energy transmission system using radiofrequency to power wireless sensors. The foundation and contextualization were carried out based on a literature review, presenting the history of wireless energy transmission, highlighting pioneers such as Nikola Tesla, and the subsequent technological advancements that made this technology viable for modern applications. Different transmission methods are explored, including inductive, resonant, and capacitive coupling, as well as laser and microwave transmission. Fundamental concepts such as radio waves, free-space propagation, and impedance matching are addressed, along with key system components such as transmitters, receivers, energy harvesting, and antennas. The system components were then defined, starting with the transmitter circuit, which comprises a Phase-Locked Loop for frequency stabilization, a voltage-controlled oscillator, a power amplifier, a band-pass filter, and a transmitting antenna. Focusing on performance comparison, three receivers were designed using different rectification methods, full-wave rectifier, voltage multiplier rectifier with two diodes, and Dickson voltage multiplier. The receivers were developed to operate with a compact antenna suitable for capturing the radiofrequency signal, an LC band-pass filter to filter the desired frequency range, and the rectifier circuit. The radiofrequency signal received is initially converted into alternating current by the antenna and then transformed into direct current by the rectifier circuit. Essential circuits such as the oscillator and the band-pass filter, fundamental for the proper functioning of the transmission system, were simulated. Subsequently, simulations were performed for the receiver system, including the three rectifier circuits and the LC filter. This allowed for evaluating the performance of the filter and each rectification method, where the Dickson voltage multiplier rectifier showed the best performance. Three receiver prototypes were then built using perforated phenolic boards as a base for the components. Tests were conducted in energy harvesting mode and using a prefabricated transmitter, powering the receivers at a distance of three meters. During the tests, it was observed that only by using the transmitter was it possible to obtain voltages above 3V, indicating that the energy harvesting mode, although functional, was not capable of providing the desired power. Finally, the comparative analysis of the prototypes demonstrated that the receivers with full-wave rectification and the voltage multiplier with two diodes did not provide stable or sufficient voltage to continuously power the sensor system. In contrast, the Dickson voltage multiplier stood out for providing stable energy to power the system. Based on the results obtained, it is concluded that for low-power wireless sensor systems, the receiver with a Dickson voltage multiplier rectifier is the most efficient and reliable alternative. Its ability to provide stable energy stands out compared to the limitations observed in the other prototypes, making it a promising solution for applications requiring energy efficiency and stability.
dc.description.resumoO presente trabalho propõe o estudo e desenvolvimento de um sistema de transmissão de energia sem fio por radiofrequência com objetivo de alimentar sensores sem fio. A fundamentação e contextualização foram realizadas com base na revisão bibliográfica, que apresenta um histórico da transmissão de energia sem fio, destacando os pioneiros como Nikola Tesla e os avanços tecnológicos subsequentes que tornaram essa tecnologia viável para aplicações modernas. Diferentes métodos de transmissão são explorados, incluindo acoplamento indutivo, ressonante e capacitivo, além da transmissão por laser e micro-ondas. Conceitos fundamentais como ondas de rádio, propagação em espaço livre e casamento de impedâncias são abordados, juntamente com os componentes chave do sistema, como transmissores, receptores, colheita de energia e antenas. Em seguida foram definidos os componentes do sistema, primeiramente o circuito transmissor, composto por um Phase-Locked Loop para estabilização da frequência, um oscilador controlado por tensão, um amplificador de potência, um filtro passa-faixa e uma antena transmissora. Com foco na comparação de desempenho, foram projetados três receptores utilizando diferentes métodos de retificação: retificador de onda completa, retificador multiplicador de tensão com dois diodos e multiplicador de tensão Dickson. Os receptores foram desenvolvidos tendo como foco operar com uma antena compacta adequada para captar o sinal de radiofrequência, um filtro passa-faixa LC para filtrar a faixa de frequência desejada e o circuito retificador. O sinal de radiofrequência recebido é inicialmente convertido em corrente alternada pela antena e, em seguida, transformado em corrente contínua pelo circuito retificador. A partir disso, foram simulados circuitos essenciais, como o oscilador e o filtro passa-faixa, fundamentais para o correto funcionamento do sistema de transmissão. Posteriormente foram realizadas simulações para o sistema do receptor, os três circuitos retificadores do receptor e o filtro LC do circuito foram simulados. Permitindo avaliar o desempenho do filtro e de cada método de retificação, onde o retificador multiplicador de tensão Dickson apresentou o melhor desempenho. Em seguida, foram construídos três protótipos do receptor utilizando placas perfuradas de fenolite como base para os componentes. Foram realizados testes no modo de colheita de energia e utilizando um transmissor pré-fabricado, alimentando os receptores a uma distância de três metros. Durante os testes, observou-se que somente utilizando o transmissor foi possível obter tensões superiores a 3V, o que indicou que o modo de colheita de energia, apesar de funcional, não foi capaz de fornecer a potência desejada. Por fim, a análise comparativa dos protótipos demonstrou que os receptores com retificação de onda completa e multiplicador de tensão com dois diodos não forneceram tensão estável ou suficiente para alimentar o sistema do sensor de forma contínua. Em contrapartida, o multiplicador de tensão Dickson se destacou por fornecer energia estável para alimentar o sistema. Diante dos resultados obtidos, conclui-se que, para sistemas de sensores sem fio de baixa potência, o receptor com retificador multiplicador de tensão Dickson se apresenta como a alternativa mais eficiente e confiável. Sua capacidade de fornecer energia estável destaca-se frente às limitações observadas nos outros protótipos, tornando-o uma solução promissora para aplicações que demandam eficiência e estabilidade energética.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uricer.edu.br/handle/35974/760
dc.language.isopt_BR
dc.subjectEngenharia Elétrica
dc.subjectRadiofrequência
dc.subjectTransmissão de energia sem fio
dc.titleSistema de transmissão de energia sem fio por radiofrequência para alimentação de sensores sem fio
dc.typeTrabalho de Conclusão de Curso

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