Jak mogę zasilać układ scalony przez Ethernet?


11

Chciałem zasilić mały układ scalony, wykorzystując jedynie moc zapewnianą przez gniazdo ethernetowe mojego pokoju. Czy to w ogóle możliwe?

Znalazłem google i przekonałem się, że napięcie, które zapewnia, wynosi od 2 do 3 V. Ponieważ nie jest to napięcie stałe, ale losowe, uważam, że nie byłoby możliwe zasilenie układu scalonego bez konieczności użycia jakiegoś konwertera AD lub prostego obwodu detektora szczytowego w celu utrzymania napięcia.

Czy się mylę? Czy masz jakieś rady w tej sprawie?


6
Istnieje standard PoE (Power over Ethernet). Może na to spojrzeć?
Rev1.0

1
„Jaki układ scalony”, a ściślej „jaki pobór mocy” byłby dość krytycznym pytaniem.
Chris Stratton

1
Przywrócono oryginalny tytuł bez ograniczenia oczyszczania, narzuconego przez edycję innej firmy. Do Luisa należy wyjaśnienie, czy PoE byłoby, czy nie, teraz, gdy pojawi się taka możliwość.
Chris Stratton

@Chris - To nie jest poprawne. Odniesienia do PO: (1) AC, (2) napięcia danych, a nie napięcia PoE. PoE jest alternatywą dla założenia pytania i jest zasugerowane przez wszystkich w tej roli (np. „Czy zastanawiałeś się ...”)
DrFriedParts

@ Rev1.0 PoE nie jest lepszą opcją w moim przypadku, ponieważ pracuję ze standardowymi sieciami, które mają w zwykłych budynkach. W każdym razie dzięki!
Luis

Odpowiedzi:


14

Opisujesz za pomocą koncepcji o nazwie „Zbieranie energii”, ale próbujesz użyć par danych portu Ethernet jako źródła energii.

Aktualizacja: Cóż, zakwalifikujmy to trochę ...

Choć niezwykle interesujące (zrobiłem, że moi mistrzowie pracowali w tym obszarze), to, co opisujesz, po prostu nie zadziała dobrze w praktyce z wielu powodów:

  1. Wszystkie wersje kabla Ethernet za pomocą skrętki określają różnicową transmisję danych przez każdą parę ze sprzęgłem transformatorowym. Oznacza to, że nie ma ścieżki zasilania prądem stałym. Prąd porusza się w obu kierunkach przez transformator izolujący. Będziesz potrzebował obwodów do konwersji i kondycjonowania. Wiele mocy, którą zdobędziesz, będzie więcej niż zużyte w mocy spoczynkowej twoich obwodów konwersji i kondycjonowania. Do załadunku pozostanie bardzo niewiele.

  2. Linia jest aktywna tylko wtedy, gdy dane są przesyłane do Ciebie (lub rozgłaszane). O ile nie tworzysz ustrukturyzowanego środowiska, w którym kontrolujesz sieć, dane (moc w twoim schemacie) będą zawodne.

  3. Jeśli możesz kontrolować sieć, po prostu zainstaluj zasilacz Power-Over-Ethernet pomiędzy przełącznikiem sieciowym a urządzeniem. Źródło zasilania PoE dodaje moc prądu stałego (-48 V) do niewykorzystanych par miedzi w kablu kategorii 5 (10bT, 100bTx). Może teraz nawet współpracować z Gigabit Ethernet, przesyłając dane nad parą zasilającą (dzięki czemu służy podwójnym celom). To takie proste. Po co męczyć się ze zbiorami?

Eksperyment projektowania

Oto wspólny układ interfejsu Ethernet ( CP2200 ) firmy Silicon Labs. wprowadź opis zdjęcia tutaj

Oto abstrakcja:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

  • Charakterystyczna impedancja systemu kablowego wynosi około 100 omów (dlatego widzisz rezystor końcowy 100 omów na rysunku Silicon Labs).

  • Nominalny szczytowy prąd wyjściowy transmisji CP2200 wynosi 15 mA (strona 9). Należy zauważyć, że dostępne są układy wysokoprądowe, nawet te z programowalnym wyjściem prądowym (takie jak DP83223).

  • Przy szczytowej wydajności (dopasowanej impedancji) obciążenie musi stanowić równowartość 100 omów przy częstotliwości transmisji.

  • System transmisji wykorzystuje transformator podwyższający 1: 2,5

Maksymalizacja transferu mocy:

Na drugim końcu (wyjście gniazda sieciowego) maksymalny prąd szczytowy wynosi 6 mA (od 15 mA / 2,5). Jest dostarczany z idealnym obciążeniem 100 omów, aby osiągnąć maksymalną chwilową moc P = I ^ 2 R = 3,6 mW lub około 2,5 mW, rms (nieźle! I 10 razy więcej niż pierwotnie szacowałem).

Dla maksymalnej mocy wyjściowej 15 mA stopień wyjściowy nadajnika dodaje około 120 omów rezystancji źródła.

  1. Pracując wstecz, masz 200 omów po drugiej stronie transformatora
  2. Stosunek 2,5 zwojów powoduje transformację impedancji do pozornych 32 omów po stronie pierwotnej (nadajnika) transformatora.
  3. To 480mV na uzwojeniu pierwotnym.
  4. Transformator zwiększa go o 2,5X do 1,2V w obwodzie wtórnym.
  5. Połowa napięcia jest tracona na impedancję kabla, co powoduje szczytową wartość 0,6 V dla idealnego obciążenia.

To P = V ^ 2 / R = 3,6 mW. Odpowiada idealnym oczekiwaniom, więc jesteśmy dobrzy.

Oto problem w praktyce:

Niestety dostarczanie energii nie jest całkowitą historią. Teraz musisz być w stanie z niego korzystać.

Jest dwubiegunowy, więc musisz sprostować, usunąć zmarszczki i (ewentualnie) zwiększyć (lub w inny sposób przekonwertować / uregulować). Po prostu nie ma w tym za dużo napięcia.

Pracujesz z 0,6 V i musisz przepuścić dwie diody w prostowniku z pełnym mostkiem. Nawet używając diod o niskim napięciu do przodu, nadal patrzysz na około 0,3 V (na diodę). Oznacza to, że dostępne napięcie (a zatem moc), które można zastosować w swoim obciążeniu, jest w zasadzie niczym.

Alternatywne architektury prostowników

Istnieją inne podejścia do zbiorów oprócz mostka diodowego, więc nie jest to niemożliwe, ale jest to bardzo niepraktyczne.

Na przykład możesz użyć prostownika półfalowego (większość tagów RFID, na które patrzyłem, aby to zrobić), aby wyeliminować jedną z diod (ale tracisz połowę kształtu fali).

W takim przypadku masz

  • 0,3 V, szczyt * 6 mA (idealny) = 1,8 mW (szczyt) = 1,27 mW (wartość skuteczna)
  • Przy generowaniu tylko połowy cyklu spadasz do około 640uW (mikro watów)
  • Następnie należy obniżyć wartość znamionową przez cykl pracy nadawania (procent czasu, przez który nadajnik jest aktywny)

... i to jest maksimum. Jeśli zmienisz obciążenie z dokładnie 6 mA, uzyskasz zmniejszoną wydajność, a tym samym znacznie mniejszą moc wyjściową, niż można by oczekiwać w wyniku niedopasowania impedancji, które to wprowadza.

Projektowanie prostowników żniwnych jest obszarem aktywnych badań i istnieją bardziej wydajne sposoby użycia pojedynczej diody. Jeśli naprawdę jesteś zaangażowany w realizację tego, odpowiedz, a ja znajdę dla Ciebie kilka cytatów / pomysłów.


3
RFID działa z tego samego podstawowego powodu, co PoE: zgodnie z projektem. Siła pola radiowego w pasywnych zastosowaniach RFID nie jest wybierana przez wymagania dotyczące odporności na zakłócenia, ale do zasilania znacznika RFID.
MSalters

1
@Luis - To nie jest tak naprawdę 100 omów w sensie rezystora (Google „Teoria linii transmisyjnej”). Jest to wpływ kabla na sygnał o częstotliwości 10 MHz (lub 100 MHz). Sygnały RF są nieco inne w zachowaniu (jest jeszcze kilka ostrzeżeń, które omijamy, ucząc DC na poziomie wprowadzającym), niż sugeruje twoje pytanie. Jeśli nie użyjesz kabla Ethernet, moc dostępna dla twojego urządzenia będzie nawet mniejsza niż szacowana powyżej ... chyba że cały system kablowy będzie mniejszy niż około 15 cm.
DrFriedParts

1
@Luis - Dodałbym również, że napięcie potrzebne przy obciążeniu (w rozsądnym zakresie) nie jest ważne. Najważniejsza jest moc (napięcie razy prąd), ponieważ (z pewną stratą) można przekształcić prąd w napięcie za pomocą różnych obwodów. Zakładając idealny konwerter, 1 W może być wyrażony jako 1A @ 1V lub 0,5A @ 2V ... rozumiesz?
DrFriedParts

1
@Luis - Cool! Cieszę się, że mogę być pomocny. 15 cm to całkowita odległość między nadajnikiem a odbiornikiem. Musisz uwzględnić wszystkie odpowiednie odległości (więc liczy się również drut w ścianie między gniazdem a przełącznikiem Ethernet).
DrFriedParts

2
@Luis - Zacznę od innego transformatora: przed prostownikiem, za gniazdem. Wypróbuj współczynnik skrętów w górę 1:10. Prawdopodobnie nie dostarczy dużej mocy, ale powinieneś zobaczyć, co możesz z niej wydobyć. Być może możesz zbierać z wielu portów równolegle.
DrFriedParts
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.