Беспроводная передача энергии… Задача, над которой бьются лучшие умы, пожалуй, что и не первый десяток лет! С ростом числа бытовых радиопередатчиков — сотовые телефоны, wi-fi, беспроводные датчики разного рода — задача получения электроэнергии от этих источников для запитки разного рода устройств, например, автономных, не привязанных к питанию и получающих его от радиоэфира — приобретает особую остроту… 

Сразу надо отметить, что в полной мере эта задача до сих пор не решена — по крайней мере, для высокоэнергозатратных применений, хотя, судя по тому направлению, в котором движется вся электроника — уменьшению энергопотребления и размеров компонентов, похоже, что одно из решений может прийти из этой области, в виду просто гораздо меньшего потребления новыми поколениями схем, из-за чего, им станет достаточно даже слабого питания, извлекаемого из энергии радиоволн… 

Тем не менее, если отбросить эти рассуждения, есть одна сфера, в которой практически применимые решения наблюдаются практически непрерывно, с начала XX века — и это детекторные приёмники! 

Вроде бы они давным-давно устарели, уступив место более эффективным устройствам — однако, как ни странно, подобная схема нашла применение в совсем неожиданном варианте: так называемых «блинкерах» (от англ. «blink» — мерцать) широко распространившихся в 2000-х годах и предназначенных для подачи сигнала владельцу сотового телефона (тогда ещё не смартфона, т.к. дело происходило до эры смартфонов) о каких-то событиях, ярким мерцанием… 

После первых экспериментов в конце XIX века, начало XX века было ознаменовано появлением полноценных детекторных приёмников, которые для своей работы не требовали внешнего питания и получали всю необходимую энергию от радиоволн — это позволило им широко распространиться и стать самым первым типом приёмника, и обобщённая схема подобного класса устройств приведена ниже:

Как видно по схеме, она представляет собой колебательный контур, составленный из катушки индуктивности (L) и конденсатора переменной ёмкости* (C1), позволяющих подстраиваться под разные частоты, с помощью достижения резонанса:

*Кстати говоря, вот эти конденсаторы переменной ёмкости — тоже занятная штука сами по себе, и мы их рассматривали более подробно вот здесь.

По схеме мы видим, что после колебательного контура у нас стоит диод (D) — задача которого выпрямлять переменный ток, генерирующийся антенной, при прохождении через неё радиоволны и превращать его в импульсы постоянного тока — на примере ниже, показано, как возникает этот переменный ток. Показано на примере дипольной антенны, хотя, суть от этого не меняется:

Также, мы на схеме видим второй конденсатор (C2), который как бы сглаживает эти высокочастотные пульсации выпрямленного тока, и, от которого, уже запитываются наушники («головные телефоны» — если говорить исторически корректно :-)).

Кстати говоря, в качестве идеи: у меня есть большие подозрения, что вот от этого второго конденсатора (С2) можно было бы и отказаться, так как в качестве ёмкости будет работать сама ёмкость наушников — но тут, как говорится, «мои полномочия — всё», :-) так что, на эту тему свои идеи могут высказать более знающие…

Итак, если мы вернёмся обратно к общей схеме и анимированной картинке колебательного контура выше, то нам станет понятно, что, по сути, колебательный контур представляет собой своеобразные качели, где энергия попеременно перекачивается (затухая из-за сопротивления) из конденсатора — в катушку индуктивности и наоборот. То есть, катушка индуктивности является своеобразным «временным хранилищем» энергии конденсатора. 

Логично было бы предположить, что от частоты колебаний — будет зависеть и ёмкость конденсатора —ведь он представляет собой не некий «волшебный девайс», который может мгновенно зарядиться и разрядиться :-) — для этих процессов тоже требуется некоторое время! 

Соответственно, чем выше частота колебаний — то есть, при прочих равных, чем на более высокочастотную радиоволну настроен колебательный контур — тем меньше должна быть ёмкость конденсатора*: иначе он просто банально не успеет зарядиться! 

*Это всё нужно для лучшего понимания дальнейшего, поэтому мы и рассматриваем на достаточно низком уровне — это всё будет понятно чуть ниже ;-).

И даже более того (насколько я это понимаю, можете поправить если я не прав; это станет ещё более понятно, если мы посмотрим на картинку выше, где показан приём на дипольную антенну) — вот допустим, пришла полуволна одной полярности и зарядила конденсатор, и теперь, если придёт полуволна другой полярности, а конденсатор не успел разрядиться, то произойдёт просто короткое замыкание и обнуление этого электрического импульса, от новой полуволны… 

Также, исходя из того, что, при прочих равных — увеличение частоты требует меньшего конденсатора, логично было бы предположить, что, так как катушка индуктивности является временным накопителем для этого конденсатора — то можно уменьшить и её индуктивность (грубо говоря, взять катушку меньшего размера или того же, но с меньшим числом витков)!

И даже (в теории), из этого следует, что при особо высоких частотах, можно было бы попытаться полностью отказаться от конденсатора переменной ёмкости (если у нас частота только одна, заранее известна и фиксирована, подстраиваться не нужно) и катушки индуктивности — а в их роли работали бы сами дорожки печатной платы, проложенные особым образом! 

Зачем нам всё это знать? А вот зачем: дело в том, на канале bigclivedotcom, некоторое время назад производилась любопытная разборка блинкеров эпохи до смартфонов, по результатам которой мы можем для себя узнать ряд интересных вещей:

Как можно видеть, они представляли собой маленькие наклейки, со встроенной платой:

При этом, если взглянуть на них поближе, то видно, что они состоят из последовательно соединённых светодиодов и какого-то элемента поверхностного монтажа:

Если разобрать эту сборку и очистить от поверхностных слоёв, то становится видна и карта дорожек, где по краям (слева и справа) можно заметить два отдельных крыла, выполненных в виде змейки каждое — могу ошибаться, но похоже, что они здесь применили подвид дипольной антенны (анимированная картинка которой была показана выше):

По результатам исследования устройства автором канала, схема подобных конструкций (в усреднённом виде), выглядит следующим образом, а чёрный элемент поверхностного монтажа, который мы видели — всего лишь диодная сборка:

Как можно видеть, всё устройство весьма простое, представляет собой два плеча антенны, между которыми стоят два противоположно включенных диода (предположительно, Шоттки, для меньшего падения напряжения), а также ряд светодиодов.

Как он сам заявляет, по его опыту разборки целого ряда устройств, получается, что они прошли целый ряд итераций (скажем так «поколений») в своём развитии, где самые последние варианты уже исключали верхний диод и в его роли работали только сами светодиоды — за счёт чего конструкцию ещё более упростили!

Таким образом, что мы имеем в сухом остатке: устройство, которое клеится на телефон, и, в момент, когда, например, приходит вызов от другого абонента и, телефон, согласно своему протоколу, начинает отвечать базовой станции (даже пока ещё не взяли трубку) — излучение антенны телефона «накачивает» эту конструкцию, которая генерирует достаточно большие токи, — по крайней мере, такие, чтобы светодиоды ярко замерцали. 

Как заявляется, причиной этого являлась достаточно большая мощность передачи, которая требовалась для ранних телефонов: вышки стояли на относительно большом расстоянии, передача шла на относительно низких частотах и, чтобы обеспечить уверенную связь на таких расстояниях, требовалась относительно большая мощность радиопередатчика, которой вполне хватало, чтобы «накачивать» подобную антенну! 

В настоящий момент, как заявляется автором канала, из-за перехода на более высокие частоты — требуются меньшие мощности для передачи, так как базовые станции расположены относительно ближе к абоненту и, на современных смартфонах, подобная конструкция, скорее всего, не будет работать (или, точнее сказать, будет, но будет генерировать весьма малые токи, вряд ли достаточные для яркого сверкания; но, как всегда, «есть нюанс» — о нём будет ниже ;-) )…

А теперь, если мы обратим ещё раз внимание на последнюю схему — нам станет очевидно то, о чём мы говорили гораздо раньше: несмотря на то, что эта схема (ну она же как-то работала, в конце-то концов?!) представляет собой колебательный контур, настроенный на частоту передатчика сотовых телефонов — мы здесь даже близко не видим ни катушки индуктивности, ни конденсатора! 

В комментариях к видео высказывались предположения, что конденсатором в этой схеме является частичное перекрытие дорожек — так как антенна расположена часто (но не всегда) на одной стороне платы, а сама сборка компонентов на другой — было выдвинуто предположение, что в тех местах, где проводники платы сборки проходят над частями антенны и разделены между собой материалом текстолита — эти места и являются конденсатором… 

Однако, взглянув на всю эту сборку сейчас, у меня появились другие подозрения: вероятнее всего, мы здесь имеем дело с тем самым, о чём я говорил выше — на очень высоких частотах, можно будет отказаться как от конденсатора, так и от катушки индуктивности, заменив их всего лишь — материалом самой антенны, где она будет выполнена в виде гребёнки, с параллельными участками (для увеличения ёмкости) — и этого уже вполне достаточно!

Таким образом, я сам так думаю, что мы здесь имеем дело с очень элегантным решением: фактически 3 в 1 — и антенна, и колебательный контур и катушка и всё это одновременно!  

А в роли этого выступает всего лишь участок проводника, уложенный в виде гребёнки! Лаконично и технически красиво! 

Кроме того, это существенно упрощает и массовое производство! 

А вы что думаете? ;-)

Как уже говорилось, похоже, что, по причине гораздо меньшего по силе излучения современных смартфонов (из-за относительно близкого расположения, в среднем, базовых станций) подобные блинкеры незаметно сошли на нет и, наверняка, из современных пользователей смартфонов многие даже и не слышали, что подобный класс устройств вообще существовал! :-)

Мне же в своё время приходилось видеть подобные устройства не только в виде наклеек, но и в виде прозрачной человеческой руки, в которую можно было положить телефон и которая вся начинала сиять во время вызова… довольно распространённая была штука, кстати! :-)

Однако, сама идея похоже, что будоражит умы многих до сих пор — на том же канале, была произведена разборка и современного аналога подобного: NFC-наклеек для nail-арта (расписные ногти для женщин) — где наклейка предназначена для установки под слой росписи и запитывается от излучения NFC-антенны современного смартфона, если поднести пальцы к задней его части: 

Конструктивно устройство тоже весьма простое и представляет собой многовитковую антенну, которая индуктивно получает питание от антенны смартфона — только здесь, так как используется NFC — применяется не радиоволновой способ, а индуктивной передачи энергии, где электромагнитное излучение рождает переменный ток в антенне (хотя фактически это не антенна, а одна из двух электромагнитных катушек), который выпрямляется и умножается с помощью простого удвоителя напряжения на двух конденсаторах и двух диодах, после чего подаётся на светодиод — просто и легко: 

Таким образом, мы видим, что, казалось бы, старинные решения иной раз находят довольно оригинальное применение и в современном мире — правда уже, на новой технологической базе и в несколько видоизменённом виде, попутно рождая и производные решения…

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.