Diferite tipuri de tehnologii de transfer de energie fără fir și funcționarea acestora

Fiecare sistem sau dispozitiv electronic are nevoie de energie electrică pentru a funcționa, indiferent dacă provine de la sursa de curent alternativ sau de la baterie. Această energie electrică nu poate fi stocată la infinit în orice dispozitiv reîncărcabil, cum ar fi bateriile, condensatoarele sau supercondensatoarele. Deci, orice dispozitiv portabil, cum ar fi laptopurile sau telefoanele mobile, este necesar pentru a fi conectat la liniile de curent alternativ pentru a-și reîncărca bateriile în mod regulat.

De obicei, cablurile electrice sunt folosite pentru a conecta aceste dispozitive reîncărcabile, cum ar fi smartphone-uri, tablete, căști, difuzoare Bluetooth etc. la adaptoare AC-DC. Folosirea cablurilor electronice pentru a transfera energie sau date între două sisteme este cea mai populară și mai populară metodă de la descoperirea electricității. Și oamenii sunt fericiți folosind cabluri electrice până acum, dar odată cu avansarea tehnologiei, siguranța umană și omenirea pofta de perfecțiune în frumusețe duce la conceptele de transfer wireless de energie (WPT) sau transmisie de energie fără fir (WET) într-o imagine care se pierde de mult in istorie. În unele dintre articolele noastre anterioare, am explicat în detaliu transmisia wireless a puterii și am construit un circuit pentru a transfera wireless puterea pentru a aprinde un LED.

Prima aplicație experimentală considerabilă pentru transferul de energie fără fir (WPT) a fost realizată la începutul anilor 1890 de către inventatorul Nikola Tesla. În timpul experimentelor, puterea electrică este transmisă prin cuplare inductivă și capacitivă utilizând transformatoare rezonante de frecvență radio excitate prin scânteie, numite acum bobine Tesla. Deși aceste experimente au parțial succes, ele nu sunt eficiente și necesită investiții mari. Deci, mai târziu, aceste experimente sunt abandonate, iar studiul tehnologic a fost stagnat timp de mulți ani. De asemenea, am construit o mini bobină Tesla pentru a demonstra conceptul bobinelor Tesla.

Deși nici acum nu există o modalitate eficientă de a furniza o putere mare fără fir, este posibil să se proiecteze un circuit cu progresele tehnologice actuale pentru a transfera eficient puterea redusă între două sisteme. Și încărcătoarele fără fir sunt proiectate pe baza acestui circuit nou dezvoltat, care îi permite să livreze energie către smartphone-uri și alte dispozitive electronice mici fără fir.

Diverse tehnologii de încărcare wireless utilizate în încărcătorul wireless

De când conceptul de transfer wireless al energiei a devenit popular atât oamenii de știință, cât și inginerii au venit cu diverse modalități de a realiza acest concept. Deși majoritatea acestor experimente au dus la eșecuri sau rezultate nepractice, puține dintre aceste experimente au produs rezultate satisfăcătoare. Aceste modalități testate și de lucru pentru realizarea transferului de energie fără fir au propriile avantaje, dezavantaje și caracteristici. Printre aceste diverse metode, doar câteva sunt utilizate în proiectarea încărcătoarelor fără fir. În timp ce alte metode au propria zonă de aplicare și avantaje.

Acum, pentru o mai bună înțelegere, aceste metode sunt clasificate pe baza distanței de transmisie, a puterii maxime și a metodei utilizate pentru a realiza transmiterea puterii. În figura de mai jos putem vedea diferite moduri utilizate pentru realizarea tehnologiei de transfer wireless a puterii și clasificarea acestora.

Aici,

• Prima și cea mai importantă clasificare se bazează pe cât de departe este posibil transferul de energie. În metodele experimentate, unele sunt capabile să livreze energie wireless la încărcături la distanță mare, în timp ce altele ar putea furniza energie la încărcături doar la câțiva centimetri distanță de sursă. Deci, prima diviziune se bazează dacă metoda este de câmp apropiat sau câmp îndepărtat.
• Diferența de capacitate la distanță se bazează pe tipul de fenomen utilizat de diferite metode pentru a realiza transferul de energie fără fir. De exemplu, dacă mediul utilizat de metodă pentru a furniza energie este inducția electromagnetică, atunci distanța maximă nu poate fi mai mare de 5 cm. Acest lucru se datorează faptului că pierderea fluxului magnetic crește exponențial odată cu creșterea distanței dintre sursă și sarcină, ceea ce duce la pierderi de energie inacceptabile. Pe de altă parte, dacă mediul utilizat de metodă pentru a furniza energie este radiația electromagneticăatunci distanța maximă poate merge cât mai mare câțiva metri. Acest lucru se datorează faptului că EMR poate fi concentrat la un punct focal aflat la câțiva metri distanță de sursă. De asemenea, metodele care utilizează EMR ca mediu pentru a furniza energie au o eficiență mai mare în comparație cu altele.
• În numeroasele moduri menționate mai sus, unele sunt mai populare decât altele, iar metodele populare utilizate pe scară largă sunt discutate mai jos.

Există două metode populare de transmitere a energiei fără fir care utilizează radiația electromagnetică ca mediu - Putere cu microunde și Putere cu laser / lumină

Transfer de energie wireless cu microunde

Deoarece numele în sine îl dă în această metodă, acesta va folosi spectrul de microunde al EMR pentru a furniza puterea de încărcare. În primul rând, transmițătorul va extrage energie de la o priză sau de la orice altă sursă de energie stabilă și apoi va regla această putere de curent alternativ la nivelul necesar. După aceea, puterea transmisă va genera microunde consumând această sursă de energie reglementată. Microundele călătoresc prin aer fără nicio întrerupere pentru a ajunge la receptor sau la încărcare. Receptorul va fi echipat cu dispozitive adecvate pentru a primi această radiație cu microunde și a o transforma în energie electrică. Această energie electrică convertită este direct proporțională cu cantitatea de radiație cu microunde atinsă la receptor și, prin urmare, se realizează transferul de energie fără fir folosind radiația cu microunde.

Transfer de energie fără fir cu lumină laser

Orice persoană care se ocupă de electronică și energie electrică ar fi trebuit să dea peste un concept numit generare de energie solară. Și dacă vă amintiți corect conceptul de generare a energiei solare nu este altceva decât să folosiți radiația electromagnetică a soarelui pentru a genera electricitate. Acest proces de conversie se poate baza pe sisteme de panouri solare, încălzire solară sau orice altul, iar un încărcător de energie solară poate fi construit cu ușurință folosind panouri solare. Dar problema cheie aici este că energia transferată de soare pe pământ este sub formă de radiații electromagnetice și este specific în spectrul vizibil și transferul de energie aici se face fără fir. Prin urmare, conceptul de generare a energiei solare este el însuși un mega sistem de transmisie a energiei fără fir.

Acum, dacă înlocuim soarele cu un generator EMR mai mic (sau pur și simplu o sursă de lumină), atunci putem concentra radiația generată pe o sarcină care se află la sute de metri distanță de sursa de lumină. Odată ce această lumină focalizată ajunge la panoul solar al modulului receptorului (sau încărcării), convertește energia luminii în energie electrică, care este obiectivul inițial al configurării transmisiei wireless a energiei.

Până în prezent, am discutat despre tehnici sau metode care sunt capabile să furnizeze energie de încărcare care se află la câțiva metri distanță de sursă. Deși aceste tehnici au capacitate la distanță, sunt voluminoase și costisitoare, astfel încât nu sunt potrivite pentru designul încărcătorului mobil. Cele mai practice metode care pot fi utilizate pentru proiectarea încărcătoarelor fără fir sunt și anume „ Tip de cuplare inductivă” și „ Inducție prin rezonanță magnetică ”. Acestea sunt cele două metode care utilizează Legea îndepărtată a inducției electromagnetice ca principiu și fluxul magnetic ca fenomen de propagare pentru a realiza transmisia de energie fără fir.

Transmisie de energie wireless folosind cuplaj inductiv

Configurarea utilizată în cuplarea inductivă este foarte similară cu cea utilizată pentru transformatorul electric. Pentru o mai bună înțelegere, să ne uităm la circuitul tipic de aplicație al metodei de transfer cu energie fără fir cuplare inductivă.

• În diagrama funcțională de mai sus, avem două secțiuni, una este configurarea transmisiei de energie electrică, iar cealaltă este configurarea receptorului de energie electrică.
• Ambele secțiuni sunt izolate electric între ele și sunt separate de un izolator cu o lățime de câțiva centimetri. Deși ambele secțiuni nu au nicio interacțiune electrică, totuși există o cuplare magnetică între ele.
• Sursa de tensiune alternativă prezentă în modulul emițător furnizează energie întregului sistem.

Funcționarea transmisiei wireless de tip cuplaj inductiv: de la început, un flux de curent în bobina conductorului este prezent în modulul Transmițător, deoarece o sursă de tensiune alternativă este conectată la bornele finale ale bobinei. Și datorită acestui flux de curent, un câmp magnetic ar trebui să fie generat în jurul conductorilor bobinei care este strâns înfășurat în jurul unui miez de ferită. Datorită prezenței unui mediu, tot fluxul magnetic al bobinei se concentrează asupra miezului de ferită. Acest flux se deplasează de-a lungul axei miezului de ferită și este expulzat în spațiul liber din afara modulului de transmisie așa cum se arată în figură.

Acum, dacă aducem modulul receptor lângă transmițător, atunci fluxul magnetic emis de transmițător va tăia bobina prezentă în modulul receptor. Întrucât fluxul generat de modulul emițător variază în flux, atunci un EMF trebuie indus în conductorul introdus în domeniul său conform Legii de astăzi a inducției electromagnetice. Pe baza acestei teorii, un EMF trebuie introdus și în bobina receptorului care se confruntă cu fluxul magnetic generat de emițător. Această tensiune generată va fi rectificată, filtrată și reglată pentru a obține o tensiune DC adecvată, care este foarte necesară pentru controlerul sistemului.

În unele cazuri, miezul de ferită este, de asemenea, eliminat pentru a face emițătorul și receptorul mai compacte și mai ușoare. Puteți vedea această aplicație în încărcătorul de telefonie mobilă wireless și în perechea de smartphone-uri. După cum știm cu toții industriile, în prezent, concurează gât la gât pentru a lansa smartphone-uri performante și alte dispozitive care sunt mai ușoare, mai subțiri și mai cool. Proiectanții au literalmente coșmaruri pentru a realiza aceste caracteristici fără a compromite performanța, astfel încât este inacceptabil ca dispozitivul să fie voluminos doar de dragul transmiterii de energie fără fir. Astfel, proiectanții și ingineria vin cu module mai subțiri și mai ușoare, care pot fi montate pe smartphone-uri și tablete.

Aici puteți vedea construcția internă a celui mai recent încărcător wireless.

Smartphone-ul cu capacitate de alimentare wireless va avea, de asemenea, o bobină similară pentru a face posibilă inducția electromagnetică. Puteți vedea în figura de mai jos, cum este atașată bobina subțire la capătul inferior al smartphone-ului lângă baterie. Puteți vedea cum inginerii au proiectat acest încărcător wireless atât de subțire, fără a compromite performanțele sale. Funcționarea acestei configurări este similară cu cazul discutat mai sus, cu excepția faptului că nu are niciun miez de ferită în centrul înfășurării.

Deși acest mod de transmitere a puterii prin inducție electromagnetică pare ușor, dar nu este comparabil cu o metodă eficientă de furnizare a energiei prin cablu.

Transfer de energie wireless bazat pe inducție prin rezonanță magnetică

Inducția prin rezonanță magnetică este o formă de cuplare inductivă în care puterea este transferată prin câmpuri magnetice între două circuite rezonante (circuite reglate), unul în transmițător și unul în receptor. Din acest motiv, configurarea circuitului de inducție prin rezonanță magnetică trebuie să fie foarte asemănătoare cu circuitul de cuplare inductivă despre care am discutat anterior.

Puteți vedea în această figură, cu excepția prezenței condensatoarelor de serie, întregul circuit este similar cu cazul anterior.

Funcționare: Funcționarea acestui model este, de asemenea, foarte similară cu cazul anterior, cu excepția cazului în care circuitele prezente în emițător și receptor sunt reglate pentru a funcționa la frecvența de rezonanță. Condensatorii sunt conectați special în serie cu ambele bobine pentru a obține acest efect rezonant.

După cum știm cu toții, un condensator în serie cu un inductor va forma un circuit LC de serie, așa cum se arată în figură. Și valoarea frecvenței la care acest circuit va funcționa la rezonanță poate fi dată ca, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Aici L = valoarea inductorului și C = valoarea condensatorului.

Folosind aceeași formulă, vom calcula valoarea frecvenței de rezonanță pentru circuitul transmițătorului de putere și vom regla frecvența sursei de curent alternativ la valoarea calculată.

Odată ce frecvența sursei este reglată, atunci circuitul emițătorului împreună cu circuitul receptorului vor funcționa la frecvența de rezonanță. După aceasta, un CEM trebuie indus în circuitul receptorului în conformitate cu Legea inducției de astăzi, așa cum am discutat în cazul anterior. Și acest EMF indus va fi rectificat, filtrat și reglat pentru a obține o tensiune continuă DC așa cum se arată în figură.

Până în prezent, am discutat despre diverse tehnici care pot fi utilizate pentru transmisia de energie fără fir împreună cu circuitele lor tipice de aplicație. Și folosim aceste metode pentru a dezvolta circuite pentru toate sistemele de transmisie a energiei fără fir, cum ar fi încărcătorul fără fir, sistemul de încărcare a vehiculelor electrice fără fir, transferul de energie fără fir pentru drone, avioane etc.

Standarde de transfer de energie fără fir

Acum, fiecare companie dezvoltându-și propriile producții și stații de încărcare, este nevoie de standarde comune între toți dezvoltatorii pentru a face consumatorul să aleagă cel mai bun dintre oceanul de alegeri. Deci, câteva standarde sunt urmate de toate industriile care lucrează la dezvoltarea sistemelor de transmisie a energiei fără fir.

Diferite standarde utilizate pentru dezvoltarea de dispozitive wireless de transfer de energie, cum ar fi încărcătorul wireless:

Standarde „Qi” - de către Wireless Power Consortium:

• Tehnologie - Inductivă, rezonantă - Frecvență joasă
• Putere redusă - 5W, putere medie - 15W, aparate de bucătărie fără fir Qi de la 100W la 2,4kW
• Gama de frecvență - 110 - 205 kHz
• Produse - peste 500 de produse și utilizate în peste 60 de companii de telefonie mobilă

Standardele „PMA” - de la Power Matter Alliance:

• Tehnologie - inductivă, rezonantă - de înaltă frecvență
• Putere maximă de la 3,5W la 50W
• Gama de frecvență - 277 - 357 kHz
• Produse - doar 2, dar 1.00.000 de unități de covorase de putere sunt distribuite la nivel global

Avantajele încărcătorului wireless

• Încărcătorul wireless este foarte util pentru încărcarea dispozitivelor de acasă, cum ar fi un smartphone, laptop, iPod, notebook, căști etc.,
• Oferă un mod convenabil, sigur și eficient de a transfera energie fără niciun mediu.
• Ecologic - Nu dăunează sau rănește unui om sau oricărei ființe vii.
• Poate fi folosit pentru a încărca implanturi medicale, ceea ce are ca rezultat o îmbunătățire a calității vieții și reduce riscul de infecție.
• Nu este nevoie să vă faceți griji obișnuite cu privire la uzura cricului.
• Fumblingul asupra orientării cablului de alimentare s-a încheiat odată cu utilizarea încărcătoarelor fără fir.

Dezavantaje ale încărcătorului wireless

• Eficiență mai mică și mai multă pierdere de energie.
• Costă mai mult decât încărcătorul de cablu.
• Repararea erorii este dificilă.
• Nu este potrivit pentru livrarea de putere mare.
• Pierderile de energie cresc cu sarcina.