Różne rodzaje technologii bezprzewodowego przesyłu energii i ich działanie

Każdy system lub urządzenie elektroniczne wymaga do działania energii elektrycznej, niezależnie od tego, czy pochodzi ona z zasilacza ściennego, czy z baterii. Ta energia elektryczna nie może być przechowywana w nieskończoność w żadnym urządzeniu do ponownego ładowania, takim jak baterie, kondensatory lub superkondensatory. Dlatego wszelkie urządzenia przenośne, takie jak laptopy lub telefony komórkowe, muszą być podłączone do linii zasilania prądem zmiennym, aby regularnie ładować baterie.

Zazwyczaj do podłączania takich urządzeń do ładowania, takich jak smartfony, tablety, słuchawki, głośniki Bluetooth itp., Do adapterów AC-DC stosuje się kable elektryczne. Używanie przewodów elektronicznych do przesyłania energii lub danych między dwoma systemami jest najbardziej podstawowym i popularnym sposobem od czasu odkrycia samej energii elektrycznej. A do tej pory ludzie są szczęśliwi, używając kabli elektrycznych, ale wraz z postępem technologii, bezpieczeństwem ludzi i ludzkim głodem doskonałości w pięknie, pojawiają się koncepcje bezprzewodowego przesyłania mocy (WPT) lub bezprzewodowej transmisji energii (WET), które dawno zaginęły w historii. W niektórych z naszych poprzednich artykułów szczegółowo wyjaśniliśmy bezprzewodową transmisję mocy, a także zbudowaliśmy obwód do bezprzewodowego przesyłania mocy w celu zaświecenia diody LED.

Pierwsza znacząca eksperymentalna aplikacja bezprzewodowego transferu mocy (WPT) została wykonana na początku lat 90. XIX wieku przez wynalazcę Nikolę Teslę. Podczas eksperymentów energia elektryczna jest przenoszona przez sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe za pomocą wzbudzanych iskrami transformatorów rezonansowych o częstotliwości radiowej, zwanych obecnie cewkami Tesli. Chociaż eksperymenty te częściowo kończą się sukcesem, nie są one wydajne i wymagają dużych inwestycji. Tak więc później te eksperymenty są odrzucane, a badania technologiczne pozostawały w stagnacji na wiele lat. Zbudowaliśmy również małą cewkę Tesli, aby zademonstrować koncepcję cewek Tesli.

Chociaż nawet teraz nie ma skutecznego sposobu na bezprzewodowe dostarczanie dużej mocy, możliwe jest zaprojektowanie obwodu z obecnym postępem technologicznym w celu efektywnego przesyłania małej mocy między dwoma systemami. Ładowarki bezprzewodowe zostały zaprojektowane w oparciu o ten nowo opracowany obwód, który umożliwia bezprzewodowe dostarczanie energii do smartfonów i innych małych urządzeń elektronicznych.

Różne technologie ładowania bezprzewodowego stosowane w ładowarkach bezprzewodowych

Odkąd koncepcja bezprzewodowego transferu mocy stała się popularna, zarówno naukowcy, jak i inżynierowie wymyślili różne sposoby realizacji tej koncepcji. Chociaż większość z tych eksperymentów zakończyła się niepowodzeniem lub niepraktycznymi wynikami, niewiele z tych eksperymentów dało zadowalające wyniki. Te przetestowane i działające sposoby osiągnięcia bezprzewodowego transferu mocy mają swoje zalety, wady i cechy. Spośród tych różnych metod tylko kilka jest używanych do projektowania bezprzewodowych ładowarek. Podczas gdy inne metody mają swój własny obszar zastosowań i zalety.

Teraz, dla lepszego zrozumienia, metody te są klasyfikowane na podstawie odległości transmisji, maksymalnej mocy i metody zastosowanej do osiągnięcia transmisji mocy. Na poniższym rysunku możemy zobaczyć różne sposoby wykorzystania technologii bezprzewodowego transferu mocy i ich klasyfikację.

Tutaj,

Pierwsza i najważniejsza klasyfikacja opiera się na możliwym przenoszeniu mocy. W eksperymentalnych metodach niektóre są w stanie dostarczać energię bezprzewodowo do odbiorników znajdujących się w dużej odległości, podczas gdy inne mogą dostarczać energię tylko do odbiorników oddalonych zaledwie o kilka centymetrów od źródła. Tak więc pierwszy podział zależy od tego, czy metoda dotyczy pola bliskiego, czy dalekiego pola.
Różnica w zakresie odległości wynika z rodzaju zjawiska wykorzystywanego przez różne metody w celu uzyskania bezprzewodowego transferu mocy. Na przykład, jeśli medium używanym w tej metodzie do dostarczania mocy jest indukcja elektromagnetyczna, maksymalna odległość nie może być większa niż 5 cm. Dzieje się tak, ponieważ utrata strumienia magnetycznego rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem odległości między źródłem a obciążeniem, co prowadzi do niedopuszczalnych strat mocy. Z drugiej strony, jeśli medium używanym w metodzie do dostarczania mocy jest promieniowanie elektromagnetycznewtedy maksymalna odległość może sięgać kilku metrów. Dzieje się tak, ponieważ EMR może być skoncentrowany w ognisku, który znajduje się kilka metrów od źródła. Ponadto metody wykorzystujące EMR jako medium do dostarczania mocy mają wyższą wydajność w porównaniu z innymi.
Pod wieloma względami, o których mowa powyżej, niektóre są bardziej popularne niż inne, a popularne metody szeroko stosowane są omówione poniżej.

Istnieją dwie popularne metody bezprzewodowej transmisji mocy, które wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne jako średnie - moc mikrofal i moc lasera / światła.

Mikrofalowy bezprzewodowy transfer mocy

Jak sama nazwa wskazuje, w tej metodzie będzie wykorzystywać widmo mikrofalowe EMR do dostarczania mocy do obciążenia. Po pierwsze, nadajnik pobiera energię z gniazdka lub innego stabilnego źródła zasilania, a następnie reguluje tę moc prądu przemiennego do wymaganego poziomu. Następnie przesyłana moc będzie generować mikrofale, zużywając ten regulowany zasilacz. Mikrofale przemieszczają się w powietrzu bez żadnej przerwy, aby dotrzeć do odbiornika lub ładunku. Odbiornik będzie wyposażony w odpowiednie urządzenia do odbioru tego promieniowania mikrofalowego i zamiany go na energię elektryczną. Ta przekształcona moc elektryczna jest wprost proporcjonalna do ilości promieniowania mikrofalowego docierającego do odbiornika, dzięki czemu uzyskuje się bezprzewodowy transfer mocy za pomocą promieniowania mikrofalowego.

Bezprzewodowy transfer mocy światła laserowego

Każdy, kto zajmuje się elektroniką i energią elektryczną, powinien natknąć się na koncepcję zwaną wytwarzaniem energii słonecznej. A jeśli dobrze pamiętasz, koncepcja wytwarzania energii słonecznej to nic innego jak wykorzystanie promieniowania elektromagnetycznego słońca do generowania energii elektrycznej. Ten proces konwersji może być oparty na systemach paneli słonecznych, ogrzewaniu słonecznym lub innym, a ładowarkę słoneczną można łatwo zbudować za pomocą paneli słonecznych. Ale kluczową kwestią jest tutaj to, że energia przenoszona przez Słońce na Ziemię ma postać promieniowania elektromagnetycznego i znajduje się w widmie widzialnym, a transfer energii tutaj odbywa się bezprzewodowo. Stąd koncepcja wytwarzania energii słonecznej sama w sobie jest mega bezprzewodowym systemem przesyłu energii.

Teraz, jeśli zastąpimy słońce mniejszym generatorem EMR (lub po prostu źródłem światła), możemy skupić wytwarzane promieniowanie na ładunku znajdującym się setki metrów od źródła światła. Gdy skupione światło dotrze do panelu słonecznego modułu odbiornika (lub obciążenia), przekształca energię świetlną w energię elektryczną, co jest pierwotnym celem konfiguracji bezprzewodowej transmisji mocy.

Do tej pory omawialiśmy techniki lub metody, które są w stanie dostarczyć moc do obciążenia znajdującego się kilka metrów od źródła. Chociaż te techniki mają zdolność do pomiaru odległości, są nieporęczne i kosztowne, więc nie nadają się do projektowania ładowarek mobilnych. Najbardziej praktyczne metody, które można zastosować do projektowania ładowarek bezprzewodowych, to „ Typ sprzężenia indukcyjnego” i „ Indukcja rezonansu magnetycznego ”. Są to dwie metody, które wykorzystują prawo Faradaysa indukcji elektromagnetycznej jako zasadę i strumień magnetyczny jako zjawisko propagacji w celu uzyskania bezprzewodowej transmisji mocy.

Bezprzewodowa transmisja mocy za pomocą sprzężenia indukcyjnego

Konfiguracja stosowana w sprzężeniu indukcyjnym jest bardzo podobna do tej używanej w transformatorze elektrycznym. Aby lepiej zrozumieć, przyjrzyjmy się typowemu obwodowi aplikacji metody bezprzewodowego przesyłania energii ze sprzężeniem indukcyjnym.

Na powyższym schemacie funkcjonalnym mamy dwie sekcje, jedna to konfiguracja transmisji energii elektrycznej, a druga to konfiguracja odbiornika energii elektrycznej.
Obie sekcje są odizolowane elektrycznie od siebie i oddzielone izolatorem o szerokości kilku centymetrów. Chociaż obie sekcje nie mają żadnego oddziaływania elektrycznego, nadal istnieje między nimi sprzężenie magnetyczne.
Źródło napięcia zmiennego obecne w module nadajnika zapewnia zasilanie całego systemu.

Działanie transmisji bezprzewodowej typu sprzężenia indukcyjnego: Od początku w module nadajnika występuje przepływ prądu w cewce przewodnika, ponieważ źródło napięcia zmiennego jest podłączone do końcówek końcowych cewki. Z powodu tego przepływu prądu wokół przewodników cewki, która jest ciasno owinięta wokół rdzenia ferrytowego, powinno powstać pole magnetyczne. Ze względu na obecność ośrodka cały strumień magnetyczny cewki skupia się na rdzeniu ferrytowym. Strumień ten porusza się wzdłuż osi rdzenia ferrytowego i jest wyrzucany w wolną przestrzeń na zewnątrz modułu transmisyjnego, jak pokazano na rysunku.

Teraz, jeśli zbliżymy moduł odbiornika do nadajnika, wówczas strumień magnetyczny emitowany przez nadajnik przetnie cewkę obecną w module odbiornika. Ponieważ strumień generowany przez moduł nadajnika jest zmiennym strumieniem, wówczas pole elektromagnetyczne musi być indukowane w przewodniku znajdującym się w jego zakresie zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Opierając się na tej teorii, pole elektromagnetyczne musi być również wprowadzane do cewki odbiornika, która doświadcza strumienia magnetycznego generowanego przez nadajnik. To generowane napięcie będzie prostowane, filtrowane i regulowane, aby uzyskać odpowiednie napięcie stałe, które jest bardzo potrzebne kontrolerowi systemu.

W niektórych przypadkach rdzeń ferrytowy jest również eliminowany, aby nadajnik i odbiornik były bardziej zwarte i lekkie. Możesz zobaczyć tę aplikację w bezprzewodowej ładowarce do telefonu komórkowego i parze ze smartfonem. Jak wszyscy wiemy, obecnie branże konkurują „łeb w szyję”, aby wypuścić wydajne smartfony i inne urządzenia, które są lżejsze, smuklejsze i fajniejsze. Projektanci dosłownie mają koszmary, aby osiągnąć te funkcje bez uszczerbku dla wydajności, więc niedopuszczalne jest tworzenie nieporęcznego urządzenia tylko ze względu na bezprzewodową transmisję mocy. Dlatego projektanci i inżynierowie wymyślają cieńsze i lżejsze moduły, które można dopasować do smartfonów i tabletów.

Tutaj możesz zobaczyć budowę wewnętrzną najnowszej ładowarki bezprzewodowej.

Smartfon z funkcją zasilania bezprzewodowego będzie również miał podobną cewkę, aby umożliwić indukcję elektromagnetyczną. Na poniższym rysunku widać, jak wąska cewka jest przymocowana na dole smartfona w pobliżu baterii. Możesz zobaczyć, jak inżynierowie zaprojektowali tę bezprzewodową ładowarkę tak smukłą, bez uszczerbku dla jej wydajności. Działanie tej konfiguracji jest podobne do omawianego powyżej przypadku, z tym wyjątkiem, że nie ma ona żadnego rdzenia ferrytowego w środku uzwojenia.

Chociaż ten sposób przesyłania mocy za pomocą indukcji elektromagnetycznej wydaje się łatwy, ale nie jest porównywalny z wydajną metodą dostarczania mocy przez kabel.

Bezprzewodowy transfer mocy oparty na indukcji rezonansu magnetycznego

Indukcja rezonansu magnetycznego jest formą sprzężenia indukcyjnego, w którym moc jest przenoszona przez pola magnetyczne między dwoma obwodami rezonansowymi (obwodami strojonymi), jednym w nadajniku i jednym w odbiorniku. Z tego powodu konfiguracja obwodu indukcji rezonansu magnetycznego musi być bardzo podobna do obwodu sprzężenia indukcyjnego, o którym mówiliśmy wcześniej.

Na tym rysunku widać, z wyjątkiem obecności kondensatorów szeregowych, cały obwód jest podobny do poprzedniego przypadku.

Działanie: Działanie tego modelu jest również bardzo podobne do poprzedniego przypadku, z wyjątkiem tego, że tutaj obwody obecne w nadajniku i odbiorniku są dostrojone do pracy na częstotliwości rezonansowej. Kondensatory są specjalnie połączone szeregowo z obiema cewkami, aby uzyskać ten efekt rezonansowy.

Jak wszyscy wiemy, kondensator połączony szeregowo z cewką indukcyjną utworzy szeregowy obwód LC, jak pokazano na rysunku. A wartość częstotliwości, przy której ten obwód będzie działał w rezonansie, można podać jako, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Tutaj L = wartość cewki i C = wartość kondensatora.

Korzystając z tego samego wzoru, obliczymy wartość częstotliwości rezonansowej dla obwodu nadajnika mocy i dostosujemy częstotliwość źródła prądu zmiennego do tej obliczonej wartości.

Po wyregulowaniu częstotliwości źródła obwód nadajnika wraz z obwodem odbiornika będą działać z częstotliwością rezonansową. Następnie należy zaindukować pole elektromagnetyczne w obwodzie odbiornika zgodnie z prawem indukcji Faradaya, jak omówiliśmy w poprzednim przypadku. I to indukowane pole elektromagnetyczne będzie prostowane, filtrowane i regulowane, aby uzyskać odpowiednie napięcie stałe, jak pokazano na rysunku.

Do tej pory omówiliśmy różne techniki, które można wykorzystać do bezprzewodowej transmisji energii, wraz z ich typowymi obwodami aplikacyjnymi. Korzystamy z tych metod, aby opracować obwody dla wszystkich bezprzewodowych systemów przesyłu energii, takich jak ładowarka bezprzewodowa, bezprzewodowy system ładowania pojazdów elektrycznych, bezprzewodowy transfer mocy dla dronów, samolotów itp.

Standardy bezprzewodowego przesyłania energii

Teraz, gdy każda firma rozwija własne produkcje i stacje ładowania, istnieje potrzeba wspólnych standardów wśród wszystkich programistów, aby konsument mógł wybierać to, co najlepsze z oceanu wyborów. Tak więc kilka standardów jest przestrzeganych przez wszystkie branże, które pracują nad rozwojem bezprzewodowych systemów przesyłu energii.

Różne standardy stosowane do tworzenia bezprzewodowych urządzeń do przesyłania energii, takich jak ładowarka bezprzewodowa:

Standardy „Qi” - opracowane przez Wireless Power Consortium:

Technologia - indukcyjna, rezonansowa - niska częstotliwość
Niska moc - 5W, Średnia moc - 15W, Qi Bezprzewodowe urządzenia kuchenne od 100W do 2,4kW
Zakres częstotliwości - 110 - 205 kHz
Produkty - ponad 500 produktów używanych w ponad 60 firmach telefonii komórkowej

Standardy „PMA” - według Power Matter Alliance:

Technologia - indukcyjna, rezonansowa - wysoka częstotliwość
Maksymalna moc wyjściowa od 3,5 W do 50 W.
Zakres częstotliwości - 277-357 kHz
Produkty - tylko 2, ale 1,00 000 jednostek mat mocy jest dystrybuowanych na całym świecie

Zalety bezprzewodowej ładowarki

Bezprzewodowa ładowarka jest bardzo przydatna do ładowania urządzeń domowych, takich jak smartfon, laptop, iPod, notebook, słuchawki itp.
Zapewnia wygodny, bezpieczny i skuteczny sposób przenoszenia mocy bez użycia jakichkolwiek mediów.
Przyjazny dla środowiska - nie szkodzi ani nie rani człowieka ani żadnej żywej istoty.
Może służyć do ładowania implantów medycznych, co wpływa na poprawę jakości życia i zmniejsza ryzyko infekcji.
Nie musisz martwić się o zużycie gniazda zasilania.
Z pomocą bezprzewodowych ładowarek kończy się grzebanie w orientacji kabla zasilającego.

Wady ładowarki bezprzewodowej

Mniejsza wydajność i większe straty mocy.
Kosztuje więcej niż ładowarka kablowa.
Naprawa usterki jest trudna.
Nie nadaje się do dostarczania dużej mocy.
Straty energii rosną wraz z obciążeniem.