Przegląd technologii ładowania bezprzewodowego

Ładowanie bezprzewodowe to proces ładowania urządzeń elektronicznych zasilanych z baterii bez bezpośredniego podłączania ich za pomocą przewodów i kabli do źródła zasilania. Proces ten zapewnia użytkownikom swobodę ładowania telefonu w podróży bez konieczności podłączania do gniazdka elektrycznego. Oznacza to, że smartfony i inne urządzenia z funkcją ładowania bezprzewodowego można ładować, po prostu umieszczając je na przykład na stoliku do kawy, a nawet bardziej złożone maszyny, takie jak samochody elektryczne, można ładować, po prostu parkując je w garażu lub na drodze z możliwością ładowania bezprzewodowego. Eliminuje wszystkie problemy związane z bezpieczeństwem związane z ładowaniem przewodowym i otwiera drzwi do nowego rodzaju wolności dla użytkowników.

Ładowanie bezprzewodowe sięga końca XIX wieku, kiedy to Nikola Tesla opracował cewkę Tesli, która miała pomagać w bezprzewodowym przesyłaniu mocy, podczas gdy eksperyment nie osiągnął celu w tamtym czasie, wzbudził zainteresowanie w terenie i znacznie więcej osób zaczęło pracować. pomysł. W 2006 roku MIT rozpoczął testowanie wykorzystania sprzężenia rezonansowego do przesyłania dużych ilości energii, co utorowało drogę niektórym znakomitym technologiom ładowania bezprzewodowego, które istnieją obecnie. Możesz sprawdzić ten eksperyment, aby zbudować cewkę Mini Tesla do bezprzewodowego przesyłania mocy.

Jak działa bezprzewodowa transmisja mocy

Ładowanie bezprzewodowe jest czasami nazywane ładowaniem indukcyjnym, ponieważ opiera się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Podobnie jak w przypadku systemu komunikacji bezprzewodowej, ładowanie bezprzewodowe odbywa się poprzez działanie bezprzewodowego nadajnika i odbiornika energii. Bezprzewodowy nadajnik ładowania, zwykle określany jako stacja ładująca, jest podłączony do gniazdka elektrycznego i przesyła dostarczaną energię przez gniazdo do odbiornika, który jest zawsze podłączony do ładowanego urządzenia i umieszczony w pobliżu bezprzewodowej stacji ładującej.

Poniżej znajduje się schemat blokowy opisujący elementy bezprzewodowego systemu ładowania i procesu ładowania:

Jak wspomniano wcześniej, ładowanie bezprzewodowe wykorzystuje zasadę indukcji magnetycznej stosowaną w transformatorach, generatorach i silnikach energii elektrycznej, tak że przepływ prądu elektrycznego przez cewkę powoduje zmianę pola magnetycznego wokół tej cewki, które indukuje prąd w innej sprzężonej cewce. Jest to zasada leżąca u podstaw przekazywania energii elektrycznej między cewką pierwotną i wtórną w transformatorze elektrycznym, mimo że wydają się one elektrycznie izolowane. W przypadku ładowania bezprzewodowego każdy z komponentów (nadajnik i odbiornik) wchodzących w skład systemu posiada cewkę. Cewkę nadajnika można przyrównać do cewki pierwotnej, podczas gdy cewkę odbiornika można przyrównać do cewki wtórnej transformatora mocy. Gdy stacja ładująca jest podłączona do źródła zasilania prądem przemiennym,dostarczona moc jest prostowana do prądu stałego przez układ prostownikowy, po czym system przełączający przejmuje kontrolę. Przyczyną przełączania jest możliwość generowania zmieniającego się strumienia magnetycznego potrzebnego do indukowania ładunków w cewce odbiornika.

Cewka odbiornika zbiera przychodzącą moc i przekazuje ją do obwodu odbiornika, który przekształca przychodzącą moc na prąd stały, a następnie stosuje otrzymaną moc do ładowania akumulatora.

Jak ustalono powyżej, przeniesienie mocy zachodzi, gdy strumień magnetyczny, wytworzony przez wytworzenie zmiennego pola magnetycznego w cewce nadajnika, jest zamieniany na prąd elektryczny w cewce odbiornika. Ilość generowanego prądu elektrycznego zależy od wielkości strumienia generowanego przez nadajnik oraz od tego, jaką część tego strumienia była w stanie przechwycić cewka odbiornika. Wielkość strumienia wychwytywanego przez odbiornik zależy od „współczynnika sprzężenia”, który jest określony przez rozmiar, odległość i położenie cewki odbiornika względem cewki nadajnika. Oznacza to, że wyższy współczynnik sprzężenia spowoduje wyższy transfer energii. Aby zwiększyć szanse na wyższy współczynnik sprzężenia, niektóre bezprzewodowe stacje ładowania są zaprojektowane z wieloma cewkami nadajnika, jak pokazano na poniższym obrazku.

Standardy ładowania bezprzewodowego

Standardy ładowania bezprzewodowego odnoszą się do zbioru zasad rządzących projektowaniem i rozwojem urządzeń bezprzewodowych. Obecnie różne organizacje promują dwa różne standardy branżowe dotyczące ładowania bezprzewodowego.

1. Standard Rezence

2. QI Standard

Standard Rezence opiera się na rezonansowym ładowaniu indukcyjnym, tak że ładowanie występuje, gdy cewki nadajnika i odbiornika są w rezonansie. Dzięki temu standardowi urządzenia mogą osiągnąć większą odległość między nadajnikiem a odbiornikiem w celu ładowania. Ten standard jest promowany przez Alliance for Wireless Power (A4WP).

Z drugiej strony standard QI zapewnia bezprzewodowy transfer energii dzięki ścisłemu sprzężeniu między cewkami i w porównaniu ze standardem Rezence , cewka nadajnika i odbiornika są zawsze zaprojektowane do pracy przy nieco innych częstotliwościach, ponieważ uważa się, że przy tej konfiguracji dostarczana jest większa moc. Standard QI jest promowany przez konsorcjum zajmujące się zasilaniem bezprzewodowym, w skład którego wchodzą tacy członkowie jak Apple inc, Qualcomm, HTC, aby wymienić tylko kilka.

Możesz wybrać bezprzewodowy standard, który najlepiej pasuje do twojej aplikacji, biorąc pod uwagę kompromisy między EMI, wydajnością i swobodą dostosowania między dwoma standardami. Niemniej jednak niektóre bezprzewodowe stacje ładowania są zaprojektowane tak, aby obsługiwać oba standardy, zapewniając wysoką interoperacyjność między urządzeniami.

Prosta konstrukcja zestawu bezprzewodowej ładowarki

Przed zbudowaniem bezprzewodowego systemu ładowania należy wziąć pod uwagę następujące kwestie.

1. Standard: Podczas wyposażania urządzenia w funkcję ładowania bezprzewodowego, pierwszą rzeczą do zrobienia jest wybranie standardu zasilania bezprzewodowego, który pasuje do urządzenia i jego zastosowań. Niektóre systemy opłat są oparte na wielu standardach.

2. Wybór cewki: Następną rzeczą jest wybranie odpowiedniego typu cewki i geometrii cewki, aby dopasować ją do przypadku użycia. Sprzedawcy dostarczają te cewki w standardowych miernikach, więc wybór odpowiedniego powinien opierać się na zaleceniach arkusza danych układu scalonego bezprzewodowego nadajnika ładowania.

3. Obudowa: Projektując systemy bezprzewodowe, ważne jest, aby obudowa urządzeń nie była metalowa i miała stosunkowo płaską powierzchnię, aby uzyskać wyższy współczynnik sprzężenia między nadajnikiem i odbiornikiem. Metal skutecznie zapobiega przedostawaniu się energii do odbiornika, a plastikowa obudowa musi być bardzo cienka.

Konstrukcja nadajnika

Bezprzewodowy system ładowania składa się z nadajnika i odbiornika, jak wspomniano wcześniej. Poniżej znajduje się schemat przedstawiający konstrukcję przetwornika.

Istnieją trzy główne elementy składowe nadajnika; źródło zasilania, cewka nadajnika i obwód przełączający. Źródłem zasilania jest zwykle prąd stały z wyprostowanego prądu przemiennego. Po wyprostowaniu obwód przełączający jest używany do generowania przemiennego sygnału używanego do tworzenia zmieniającego się pola magnetycznego w celu indukowania transferu prądu z nadajnika do odbiornika przez cewkę nadajnika.

Projekt odbiornika

Konstrukcja odbiornika jest podobna do nadajnika, z wyjątkiem tego, że akcja przebiega w odwrotnej kolejności. Odbiornik składa się z cewki odbiornika, sieci rezonansowej i prostownika oraz układu scalonego ładowarki, który wykorzystuje wyjście obwodu prostownika do ładowania podłączonego akumulatora. Przykład obwodu odbiornika pokazano na poniższej ilustracji z podświetlonymi częściami funkcjonalnymi. Ten przykład jest oparty na układzie ładowania LTC4120.

Aplikacje

Ładowanie bezprzewodowe jest obecnie używane w wielu aplikacjach, w tym:

1. Smartfony i do noszenia
2. Notebooki i tablety
3. Elektronarzędzia i roboty serwisowe, takie jak odkurzacze
4. Multikoptery i zabawki elektryczne
5. Urządzenia medyczne
6. Ładowanie w samochodzie

Oprócz wymyślnych powodów, dla których warto korzystać z ładowania bezprzewodowego, takich jak brak konieczności podłączania urządzenia i brak problemów z kompatybilnością wtyczki, ładowanie bezprzewodowe zapewnia ochronę przed zagrożeniami związanymi z podłączeniem bezpośrednio do sieci. Ponadto jest niezawodny w trudniejszych warunkach, takich jak wiercenie i wydobycie, oraz umożliwia bezproblemowe ładowanie w ruchu. Wreszcie, ładowanie bezprzewodowe eliminuje plątanie i inny bałagan spowodowany przewodami. Dopiero co zarysowaliśmy oblicze ładowania bezprzewodowego kilkoma nowatorskimi zastosowaniami, każdy projekt produktu, który jest tworzony z myślą o przyszłości, powinien uwzględniać ładowanie bezprzewodowe, ponieważ jest to z pewnością jeden ze sposobów ładowania urządzeń zasilanych bateryjnie w najbliższej przyszłości.