¿Cómo podría alimentar un IC a través de Ethernet?

Tenía muchas ganas de alimentar un pequeño circuito integrado usando solo la energía proporcionada por la salida de ethernet de mi habitación. ¿Es eso posible?

Busqué en Google y descubrí que el voltaje que proporciona es algo entre 2v y 3v. Dado que no es un voltaje de CC, sino uno de CA aleatorio, creo que no sería posible alimentar un IC sin tener que usar algún tipo de convertidor AD o un circuito detector de pico simple para mantener el voltaje.

¿Me equivoco? ¿Tendrías algún consejo para ese caso?

Bueno, existe el estándar PoE (Power over Ethernet). ¿Quizás echar un vistazo a eso?
"Qué IC" o más específicamente "qué consumo de energía" sería una pregunta bastante crítica.
Revertido al título original sin la limitación de eliminación impuesta por la edición de terceros. Depende de Luis aclarar si PoE sería o no una opción ahora que se ha planteado la posibilidad.
@Chris: eso no es correcto. Las referencias OP: (1) CA, (2) voltajes de datos, no voltajes PoE. PoE es una alternativa a la premisa de la pregunta y es sugerida por todos en este rol (p. ej., "¿También ha considerado...")
@Rev1.0 PoE no es una mejor opción en mi caso, ya que estoy trabajando con las redes estándar que tienen los edificios comunes. ¡Gracias, sin embargo!
El título original de Luis establece claramente que su objetivo no necesita más confusión por parte de nadie que no sea Luis.
@Chris - Eso es una tontería. Retrocede para nunca editar nada. El objetivo, tal como se especifica en el título, es vago en comparación con el cuerpo, que es muy específico. Probablemente por eso aceptó el cambio... dos veces ;-)
No, revisé los registros y no fue Luis quien aprobó la edición sugerida, lo que reduce innecesariamente la pregunta más allá del objetivo original. A menudo, las personas acuden a los sitios de intercambio de pilas con un objetivo y una idea tentativa que puede no ser la mejor manera de lograrlo. Tener un título que refleje el objetivo, incluso cuando el organismo contempla un método específico, es el mejor equilibrio, especialmente cuando ese es el título elegido por el cartel original . Doblemente cuando afirmaba que el método al que lo reduciría no sería capaz de alcanzar el objetivo.
Este título es confuso, de nuevo. Al leer la respuesta y los comentarios aceptados, está claro que el objetivo es obtener energía de Ethernet. "Alimentar un IC a través de Ethernet" es muy ambiguo. Esta pregunta parece haberse convertido en una pelea entre algunos usuarios...

Respuestas (1)

Está describiendo el uso de un concepto llamado "Cosecha de energía", pero está tratando de usar los pares de datos del puerto Ethernet como su fuente de energía.

Actualización: Bueno, maticemos esto un poco...

Si bien es extremadamente interesante (hice mi trabajo de maestría en esta área), lo que estás describiendo simplemente no funcionará bien en la práctica por varias razones:

  1. Todas las versiones de Ethernet sobre cable de par trenzado especifican la transmisión diferencial de datos sobre cada par con acoplamiento de transformador. Eso significa que no hay ruta de alimentación de CC. Tiene corriente moviéndose en ambas direcciones a través de un transformador de aislamiento. Necesitará circuitos para convertirlo y acondicionarlo. Gran parte de la energía que adquirirá será más que consumida en la energía inactiva de sus circuitos de conversión y acondicionamiento. Quedará muy poco, si es que queda algo, para la carga.

  2. La línea solo está activa cuando se le envían (o transmiten) datos. A menos que esté creando un entorno estructurado donde controle la red, los datos (poder en su esquema) no serán confiables.

  3. Si puede controlar la red, simplemente instale una fuente de alimentación Power-Over-Ethernet entre el conmutador de red y su dispositivo. Una fuente de alimentación PoE agrega alimentación de CC (-48 V) a los pares de cobre que de otro modo no se utilizarían en el cable de categoría 5 (10bT, 100bTx). Incluso puede funcionar con Gigabit Ethernet ahora montando datos en la parte superior del par de alimentación (por lo que tiene un doble propósito). Es así de simple. ¿Por qué molestarse en cosechar?

Experimento de diseño

Aquí hay un chip de interfaz Ethernet común ( CP2200 ) de Silicon Labs.ingrese la descripción de la imagen aquí

Aquí hay una abstracción:

ingrese la descripción de la imagen aquí

  • La impedancia característica del sistema de cables es de unos 100 ohmios (por eso se ve la resistencia de terminación de 100 ohmios en la figura de Silicon Labs).

  • La corriente máxima nominal de salida de transmisión del CP2200 es de 15 mA (página 9). Cabe señalar que hay chips de alta corriente disponibles, incluso con salida de corriente programable (como DP83223).

  • En la eficiencia máxima (impedancia adaptada), la carga debe presentar el equivalente a 100 ohmios en la frecuencia de transmisión.

  • El sistema de transmisión utiliza un transformador elevador de 1:2,5

Maximización de la transferencia de energía:

En el otro extremo (la salida del conector de red), la corriente pico máxima es de 6 mA (desde 15 mA / 2,5). Se entrega en una carga ideal de 100 ohmios para alcanzar una potencia instantánea máxima de P = I^2 R = 3,6 mW o aproximadamente 2,5 mW,rms (¡no está mal! y 10 veces más que mi estimación original).

Para una salida máxima de 15 mA, la etapa de salida del transmisor agrega alrededor de 120 ohmios en la resistencia de la fuente.

  1. Trabajando al revés, tiene 200 ohmios en el lado remoto del transformador
  2. La relación de 2,5 vueltas da como resultado una transformación de impedancia a 32 ohmios aparentes en el lado primario (del transmisor) del transformador.
  3. Eso es 480 mV en el devanado primario.
  4. El transformador lo aumenta en 2.5X a 1.2V en el secundario.
  5. La mitad del voltaje se pierde en la impedancia del cable, lo que da como resultado un pico de 0,6 V para la carga ideal.

Eso es P=V^2/R = 3,6 mW. Coincide con la expectativa ideal, por lo que estamos bien.

Aquí está el problema en la práctica:

Desafortunadamente, la entrega de potencia no es la historia completa. Ahora tienes que ser capaz de usarlo.

Es bipolar, por lo que debe rectificar, eliminar la ondulación y (posiblemente) intensificar (o convertir/regular). Simplemente no hay mucha sobrecarga de voltaje para esto.

Está trabajando con 0.6V y necesita transitar dos diodos en el puente rectificador completo. Incluso usando tipos de diodo de baja caída hacia adelante, todavía está viendo alrededor de 0.3V (por diodo). Eso significa que el voltaje disponible (y, por lo tanto, la potencia) para que lo use en su carga es básicamente nada.

Arquitecturas alternativas de rectificadores

Hay otros enfoques para la recolección además del puente de diodos, por lo que no es imposible, pero es muy poco práctico hacer esto.

Por ejemplo, podría usar un rectificador de media onda (la mayoría de las etiquetas RFID que miré hacen esto) para eliminar uno de los diodos (pero pierde la mitad de la forma de onda).

En este caso, obtienes

  • 0,3 V, pico * 6 mA (ideal) = 1,8 mW (pico) = 1,27 mW (rms)
  • Con solo la mitad del ciclo generando, se reduce a aproximadamente 640 uW (microvatios)
  • Luego, debe reducir su ciclo de trabajo de transmisión (el porcentaje de tiempo que mantiene activo el transmisor)

...y eso es máximo. Si cambia su carga de exactamente 6 mA, obtendrá una menor eficiencia y, por lo tanto, mucha menos potencia de salida que de otro modo esperaría debido a la falta de coincidencia de impedancia que esto introduce.

El diseño de rectificadores de recolección es un área de investigación activa y hay formas más eficientes de usar un solo diodo. Si realmente está comprometido con esto, responda y buscaré algunas citas/ideas para usted.

Falso. El circuito de conversión no consumirá toda la energía recolectada si está bien diseñado; eso es lo que permite que RFID, por ejemplo, funcione. La necesidad de que fluyan muchos datos podría ser un problema, pero tiene soluciones de software. Por supuesto, POE es una buena sugerencia si tal modificación es posible.
RFID funciona por la misma razón básica que PoE: por diseño. La intensidad del campo de radio en aplicaciones RFID pasivas en general no se elige por los requisitos de inmunidad al ruido sino para alimentar la etiqueta RFID.
@MSalters: no, PoE es simplemente una fuente de alimentación de CC, mientras que RFID funciona integrando y rectificando la potencia de la señal recibida para alimentar la respuesta, como lo haría un dispositivo de ethernet parásito. Si bien RFID está diseñado con la idea de alimentar dispositivos parásitos, es el mismo principio en el trabajo. Con aproximadamente cien ohmios de impedancia y varios voltios de señalización (a 10 mbit), es muy probable que haya más potencia de señal disponible en Ethernet que la que recibe una etiqueta RFID típica.
@Chris: hice un poco de back-o'the-sobre y los números en realidad se ven bastante similares ... Lo explicaré en una edición. Salud.
@DrFriedParts Esa es una respuesta bastante impresionante. Lo que estoy trabajando requiere algo de alrededor de 2,5 voltios de tensión para funcionar correctamente. Por lo tanto, al usar su enfoque, no sería posible lograrlo. Sin embargo, hay una cosa que no entendí bien. Es esta resistencia de 100 ohmios. ¿Está en el cable entre mi circuito y el conector, o es inherente al sistema de red ethernet? Hago esta pregunta porque es posible que no use un cable en el circuito que estoy diseñando, por lo que, sin él, podría tener más energía para alimentarlo.
@Luis: en realidad no son 100 ohmios en el sentido de la resistencia (Google "Teoría de la línea de transmisión"). Es el efecto del cable sobre una señal a 10MHz (o 100MHz). Las señales de RF tienen un comportamiento un poco diferente (hay algunas advertencias más que pasamos por alto cuando enseñamos CC en el nivel introductorio) de lo que implica su pregunta. Si no utiliza un cable Ethernet, la energía disponible para su dispositivo será incluso menor que la estimada anteriormente... a menos que mantenga todo el sistema de cable a menos de 15 cm.
@Luis: también agregaría que el voltaje que necesita en la carga (dentro de lo razonable) no es importante. Lo que le importa es la potencia (voltaje por corriente) porque (con alguna pérdida) puede convertir la corriente en voltaje con varios circuitos. Asumiendo un convertidor perfecto, 1W podría expresarse como 1A @ 1V, o 0.5A @ 2V... ¿ves?
@DrFriedParts ¡Sí, de hecho! ¡En este caso, estoy trabajando con aproximadamente 200u-350u Watts! Creo que es lo suficientemente bajo como para usar su enfoque. Con respecto al cable, en realidad no usaré ningún cable en este proyecto. Se enchufará directamente en los terminales del jack; Entonces, cumple la condición de ser menos de 15 cm, ¿verdad? Bueno, gracias por sus respuestas, como estudiante de tercer año (de cinco) de EE, puedo decir que pude entender su enfoque.
@Luis -- ¡Genial! Me alegro de ser útil. 15 cm es la distancia total entre el transmisor y el receptor. Debe incluir todas las distancias relevantes (por lo que el cable en la pared entre el conector y el conmutador Ethernet también cuenta).
@DrFriedParts oh sí, así que eso es complicado. Sin embargo, como estoy hablando de micro-Watts, y usted de mili-Watts, ¿no cree que es factible? ¿Con algunos multiplicadores de voltaje, tal vez?
Está cerca. ¡Deberías probarlo! =) Supongo que algo así como 0,3 V a 640 uW y necesita 2,5 V a 350 uW... por lo que debe pasar de 0,3 V a 2,5 V con al menos un 55 % de eficiencia manteniendo una impedancia igual a la fuente...
@Luis: comenzaría con otro transformador: frente al rectificador, después del conector. Pruebe una relación de giros de 1:10. No es probable que entregue mucha potencia, pero deberías ver lo que puedes sacar de él. Tal vez podría recolectar desde múltiples puertos en paralelo.
@Luis No recuerdo quién escribió esto (tal vez ANSI) pero la longitud máxima de un cable Ethernet será de 80 metros entre el enchufe de pared y el enrutador
La solución estará en la relación de vueltas, pero probablemente en la relación de vueltas del transformador ya asumida, en lugar de una segunda. La única razón que vería para usar dos sería si esa fuera la única forma de obtener suficiente funcionalidad de comunicación Ethernet para convencer al transmisor de que hable mucho. Sin embargo, algo no cuadra con los números, ya que se supone que Ethernet de 10 mBit es un voltaje un poco más alto que el informado aquí, aunque es posible que muchos dispositivos (especialmente los que tienen capacidad para 100 mBit) se salgan con la suya.
@Chris: sí, de nuevo, estoy de acuerdo contigo. El problema es que el primer transformador está integrado en el conector dentro del conmutador de red, por lo que no tenemos acceso a él (si lo tuviéramos, solo use PoE).
Oh, me pareció que no uno, sino que se proponían dos transformadores en el dispositivo personalizado. No había contemplado modificar el equipo conectado en el otro extremo del cableado de ethernet en absoluto (bueno, en absoluto en hardware, el software podría facilitar la obtención de una relación de tráfico altamente asimétrica, de lo contrario encontrar formas de activar una gran cantidad de datos entrantes usando solo serían necesarias transmisiones muy breves desde el dispositivo parásito).
¿Cómo podría alimentar un IC a través de Ethernet?
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