Wie kann ich einen IC über Ethernet mit Strom versorgen?

Ich freute mich darauf, einen kleinen integrierten Schaltkreis nur mit der Stromversorgung zu versorgen, die von der Ethernet-Steckdose meines Zimmers geliefert wurde. Ist das überhaupt möglich?

Ich habe gegoogelt und festgestellt, dass die Spannung zwischen 2 V und 3 V liegt. Da es sich nicht um eine Gleichspannung handelt, sondern um eine zufällige Wechselspannung, glaube ich, dass es nicht möglich wäre, einen IC mit Strom zu versorgen, ohne einen AD-Wandler oder eine einfache Spitzendetektorschaltung verwenden zu müssen, um die Spannung aufrechtzuerhalten.

Liege ich falsch? Hätten Sie Ratschläge für diesen Fall?

Sie beschreiben die Verwendung eines Konzepts namens "Energy Harvesting", versuchen jedoch, die Datenpaare des Ethernet-Ports als Energiequelle zu verwenden.

Update: Nun, lassen Sie uns dies ein wenig qualifizieren ...

Obwohl es äußerst interessant ist (ich habe meine Master in diesem Bereich gearbeitet), wird das, was Sie beschreiben, aus einer Reihe von Gründen in der Praxis einfach nicht gut funktionieren :

1. Alle Versionen von Ethernet über Twisted Pair-Kabel spezifizieren die differenzielle Datenübertragung über jedes Paar mit Transformatorkopplung. Das heißt, es gibt keinen Gleichstrompfad. Durch einen Trenntransformator fließt Strom in beide Richtungen. Sie benötigen eine Schaltung, um sie zu konvertieren und zu konditionieren. Ein Großteil der Leistung, die Sie erwerben, wird in der Ruheleistung Ihrer Umwandlungs- und Konditionierungsschaltungen mehr als verbraucht. Es wird, wenn überhaupt, nur noch sehr wenig für die Ladung übrig sein.

2. Die Leitung ist nur aktiv, wenn Daten an Sie gesendet (oder gesendet) werden. Sofern Sie keine strukturierte Umgebung erstellen, in der Sie das Netzwerk steuern, sind Daten (Leistung in Ihrem Schema) unzuverlässig.

3. Wenn Sie das Netzwerk steuern können, installieren Sie einfach ein Power-Over-Ethernet -Netzteil zwischen dem Netzwerk-Switch und Ihrem Gerät. Eine PoE-Stromquelle fügt den ansonsten nicht verwendeten Kupferpaaren des Kabels der Kategorie 5 (10 bT, 100 bTx) Gleichstrom (-48 V) hinzu. Es kann jetzt sogar mit Gigabit-Ethernet arbeiten, indem Daten über das Energiepaar übertragen werden (es dient also zwei Zwecken). So einfach ist das. Warum sich mit der Ernte beschäftigen?

Design-Experiment

Hier ist ein gängiger Ethernet-Schnittstellenchip ( CP2200 ) von Silicon Labs.

Hier ist eine Abstraktion:

• Die charakteristische Impedanz des Kabelsystems beträgt ca. 100 Ohm (weshalb Sie den 100-Ohm-Abschlusswiderstand in der Abbildung von Silicon Labs sehen).

• Der nominale Spitzenübertragungsausgangsstrom des CP2200 beträgt 15 mA (Seite 9). Es ist zu beachten, dass Hochstromchips verfügbar sind, auch solche mit programmierbarem Stromausgang (wie DP83223).

• Bei Spitzenwirkungsgrad (angepasste Impedanz) muss die Last bei der Übertragungsfrequenz das Äquivalent von 100 Ohm aufweisen.

• Das Übertragungssystem verwendet einen 1: 2,5-Aufwärtstransformator

Maximierung der Kraftübertragung:

Am anderen Ende (dem Ausgang der Netzwerkbuchse) beträgt der maximale Spitzenstrom 6 mA (ab 15 mA / 2,5). Es wird in eine ideale Last von 100 Ohm geliefert, um eine maximale Momentanleistung von P = I ^ 2 R = 3,6 mW oder etwa 2,5 mW (rms) zu erreichen (nicht schlecht! Und 10x höher als meine ursprüngliche Schätzung).

Bei einer maximalen Ausgangsleistung von 15 mA erhöht die Ausgangsstufe des Senders den Quellenwiderstand um ca. 120 Ohm.

1. Wenn Sie rückwärts arbeiten, haben Sie 200 Ohm auf der entfernten Seite des Transformators
2. Das Verhältnis von 2,5 Windungen führt zu einer Impedanztransformation auf scheinbare 32 Ohm auf der Primärseite (Senderseite) des Transformators.
3. Das sind 480 mV an der Primärwicklung.
4. Der Transformator erhöht ihn auf der Sekundärseite um das 2,5-fache auf 1,2 V.
5. Die Hälfte der Spannung geht an die Kabelimpedanz verloren, was zu einer Spitze von 0,6 V für die ideale Last führt.

Das ist P = V ^ 2 / R = 3,6 mW. Es entspricht der idealen Erwartung, also sind wir gut.

Hier ist das Problem in der Praxis:

Leider ist die Stromabgabe nicht die ganze Geschichte. Jetzt muss man es benutzen können.

Es ist bipolar, also müssen Sie korrigieren, entkräuseln und (möglicherweise) verstärken (oder auf andere Weise konvertieren / regulieren). Dafür gibt es einfach nicht viel Spannungs-Overhead.

Sie arbeiten mit 0,6 V und müssen zwei Dioden im Vollbrückengleichrichter durchlaufen. Selbst bei Verwendung von Diodentypen mit geringem Vorwärtsabfall sehen Sie immer noch etwa 0,3 V (pro Diode). Das bedeutet, dass die Spannung (und damit die Leistung), die Sie in Ihrer Last verwenden können, im Grunde genommen nichts ist.

Alternative Gleichrichterarchitekturen

Neben der Diodenbrücke gibt es noch andere Ansätze zum Ernten, daher ist dies nicht unmöglich, aber höchst unpraktisch.

Zum Beispiel könnten Sie einen Halbwellengleichrichter verwenden (die meisten RFID-Tags, die ich mir angesehen habe, tun dies), um eine der Dioden zu eliminieren (aber Sie verlieren die Hälfte der Wellenform).

In diesem Fall erhalten Sie

• 0,3 V, Peak * 6 mA (ideal) = 1,8 mW (Peak) = 1,27 mW (rms)
• Mit nur der Hälfte des erzeugten Zyklus sind Sie auf etwa 640 uW (Mikrowatt) gesunken.
• Dann müssen Sie Ihren Übertragungszyklus verringern (den Prozentsatz der Zeit, in der Sie den Sender aktiv halten).

... und das ist maximal. Wenn Sie Ihre Last von genau 6 mA weg ändern, erhalten Sie einen geringeren Wirkungsgrad und damit eine viel geringere Ausgangsleistung, die Sie aufgrund der dadurch verursachten Impedanzfehlanpassung sonst erwarten würden.

Das Design von Erntegleichrichtern ist ein Bereich aktiver Forschung, und es gibt effizientere Möglichkeiten, eine einzelne Diode zu verwenden. Wenn Sie wirklich entschlossen sind, dies zu verfolgen, antworten Sie und ich werde einige Zitate / Ideen für Sie finden.