Різні типи технологій бездротового передавання енергії та їх робота

Кожна електронна система або пристрій потребує електроенергії для роботи, будь то від джерела змінного струму або акумулятора. Цю електроенергію не можна безкінечно зберігати в будь-якому акумуляторному пристрої, такому як батареї, конденсатори або суперконденсатори. Тому будь-які портативні пристрої, такі як ноутбуки або мобільні телефони, повинні бути підключені до ліній електропередачі змінного струму, щоб регулярно підзаряджати свої батареї.

Зазвичай електричні кабелі використовуються для підключення цих акумуляторних пристроїв, таких як смартфони, планшети, навушники, динаміки Bluetooth тощо, до адаптерів змінного струму. Використання електронних провідних кабелів для передачі потужності або даних між двома системами є найбільш простим і популярним способом з моменту відкриття самої електрики. І люди досі задоволені використанням електричних кабелів, але з розвитком технологій, людської безпеки та голоду людства до досконалості в красі призводить до концепцій бездротової передачі потужності (WPT) або бездротової передачі енергії (WET) у картину, яка давно втрачена в історії. У деяких з наших попередніх статей ми детально пояснили бездротову передачу живлення, а також побудували схему бездротової передачі потужності, щоб засвітити світлодіод.

Перше значне експериментальне застосування для бездротового передавання потужності (WPT) було зроблено на початку 1890-х років винахідником Ніколою Теслою. Під час експериментів електрична потужність передається за допомогою індуктивного та ємнісного зчеплення за допомогою іскробезпечних радіочастотних резонансних трансформаторів, які зараз називаються котушками Тесла. Хоча ці експерименти частково успішні, вони не ефективні і вимагають великих інвестицій. Отже, пізніше ці експерименти припиняються, а технологічне дослідження затримується на багато років. Ми також створили міні-котушку tesla, щоб продемонструвати концепцію котушок Tesla.

Хоча навіть зараз не існує ефективного способу бездротової передачі високої потужності, можна розробити схему з сучасними технологічними досягненнями для ефективної передачі низької потужності між двома системами. А бездротові зарядні пристрої розроблені на основі цієї нещодавно розробленої схеми, яка дозволяє йому бездротово подавати живлення до смартфонів та інших невеликих електронних пристроїв.

Різні технології бездротового заряджання, що використовуються у бездротовому зарядному пристрої

З тих пір, як концепція бездротового передавання енергії стала популярною, і вчені, і інженери придумали різні способи реалізації цієї концепції. Хоча більшість із цих експериментів призвели до невдач або непрактичних результатів, мало хто з цих експериментів дав задовільні результати. Ці перевірені та працюючі способи досягнення бездротової передачі енергії мають свої переваги, недоліки та особливості. Серед цих різних методів лише пара використовується для проектування бездротових зарядних пристроїв. У інших методів є власна область застосування та переваги.

Тепер для кращого розуміння ці методи класифікуються на основі відстані передачі, максимальної потужності та методу, що використовується для досягнення передачі потужності. На малюнку нижче ми бачимо різні способи, що використовуються для досягнення технології бездротового передавання енергії, та їх класифікацію.

Ось,

• Перша і найважливіша класифікація базується на тому, наскільки можлива передача потужності. В експериментованих методах деякі здатні передавати енергію бездротово до вантажів на великій відстані, тоді як інші могли подавати енергію лише до вантажів, розташованих лише на кілька сантиметрів від джерела. Отже, перший поділ базується на тому, чи є метод Близьким полем чи Далеким полем.
• Різниця у можливостях відстані залежить від типу явища, що використовується різними методами для досягнення бездротової передачі потужності. Наприклад, якщо середовищем, що використовується методом для подачі потужності, є електромагнітна індукція, то максимальна відстань може бути не вище 5 см. Це пов’язано з тим, що втрати магнітного потоку збільшуються експоненціально із збільшенням відстані між джерелом та навантаженням, що призводить до неприпустимих втрат потужності. З іншого боку, якщо середовищем, що використовується методом для подачі потужності, є Електромагнітне випромінюваннятоді максимальна відстань може сягати декількох метрів. Це тому, що ЕМР можна сконцентрувати до фокусної точки, яка знаходиться на відстані метрів від джерела. Крім того, методи, які використовують EMR як середовище для подачі енергії, мають вищу ефективність у порівнянні з іншими.
• Багато способів, згаданих вище, деякі є більш популярними, ніж інші, і популярні широко використовувані методи обговорюються нижче.

Існує два популярних способи бездротової передачі енергії, які використовують електромагнітне випромінювання як середовище - потужність мікрохвиль і лазер / світло

Мікрохвильова бездротова передача енергії

Оскільки сама назва віддає його в цьому методі, він буде використовувати мікрохвильовий спектр ЕМР для подачі потужності на навантаження. Спочатку передавач буде отримувати живлення від розетки або будь-якого іншого стабільного джерела живлення, а потім регулювати цю потужність змінного струму до необхідного рівня. Після цього передана потужність буде генерувати мікрохвилі, споживаючи це регульоване джерело живлення. Мікрохвилі рухаються по повітрю без будь-яких перерв, щоб дістатися до приймача або навантаження. Приймач буде оснащений відповідними пристроями для прийому цього мікрохвильового випромінювання та перетворення його в електричну енергію. Ця перетворена електрична потужність прямо пропорційна кількості мікрохвильового випромінювання, що надходить до приймача, а отже, досягається бездротова передача потужності за допомогою мікрохвильового випромінювання.

Лазерне світло бездротової передачі живлення

Будь-яка людина, яка займається електронікою та електроенергією, мала зіткнутися з концепцією, яка називається сонячною енергією. І якщо ви правильно пам’ятаєте, концепція сонячної енергетики - це не що інше, як використання електромагнітного випромінювання сонця для генерування електроенергії. Цей процес перетворення може базуватися на системах сонячних панелей, сонячного опалення або будь-якої іншої, а зарядний пристрій для сонячної енергії можна легко побудувати за допомогою сонячних панелей. Але ключове питання тут полягає в тому, що енергія, що передається Сонцем на землю, має форму електромагнітного випромінювання, а саме у видимому спектрі та передачі енергії тут здійснюється бездротовим способом. Звідси концепція виробництва сонячної енергії сама по собі є мега-системою бездротової передачі енергії.

Тепер, якщо замінити сонце меншим генератором ЕМР (або просто джерелом світла), ми можемо сфокусувати генеруване випромінювання на вантаж, який знаходиться на відстані сотень метрів від джерела світла. Як тільки це сфокусоване світло досягає сонячної панелі приймального модуля (або навантаження), воно перетворює світлову енергію в електричну, що є початковою метою налаштування бездротової передачі енергії.

До цього часу ми обговорювали техніки або методи, здатні подавати потужність навантаженню, яке знаходиться на відстані декількох метрів від джерела. Хоча ці методи мають відстань, вони громіздкі та дорогі, тому не підходять для дизайну мобільного зарядного пристрою. Найбільш практичними методами, які можуть бути використані для проектування бездротових зарядних пристроїв, є " індуктивний тип з'єднання" та " магнітно-резонансна індукція ". Це два методи, які використовують закон Фарадея про електромагнітну індукцію як принцип, а магнітний потік як явище, що поширюється, для досягнення бездротової передачі потужності.

Бездротова передача потужності за допомогою індуктивного зв’язку

Установка, яка використовується в індуктивному з'єднанні, дуже подібна до тієї, яка використовується для електричного трансформатора. Для кращого розуміння давайте розглянемо типову схему застосування методу бездротової передачі потужності з індуктивною сполукою.

• На наведеній вище функціональній схемі ми маємо два розділи, один - це установка передачі електроенергії, а інша - установка приймача електричної енергії.
• Обидві секції електрично ізольовані між собою і розділені ізолятором шириною в пару сантиметрів. Хоча обидві секції не мають ніякої електричної взаємодії, все ж між ними існує магнітна зв'язок.
• Присутнє в модулі передавача джерело змінного струму забезпечує живлення всієї системи.

Працює бездротова передача типу індуктивної муфти: З самого початку в модулі передавача присутній струм струму в котушці провідника, оскільки джерело змінного струму підключено до кінцевих клем котушки. І через цей струм струму повинно створюватися магнітне поле навколо провідників котушки, яка щільно намотана навколо феритового сердечника. Через наявність середовища весь магнітний потік котушки концентрується на феритовому сердечнику. Цей потік рухається вздовж осі феритового сердечника і викидається у вільний простір поза модулем передачі, як показано на малюнку.

Тепер, якщо ми наблизимо модуль приймача поблизу передавача, то магнітний потік, що випромінює передавач, переріже котушку, присутню в модулі приймача. Оскільки потік, що генерується модулем передавача, є різним потоком, то в провідник, введений у його діапазоні, повинен бути індукований ЕРС відповідно до Закону про електромагнітну індукцію Фарадея. Виходячи з цієї теорії, ЕРС також повинна бути введена в котушку приймача, яка відчуває магнітний потік, генерований передавачем. Ця генерована напруга буде виправлена, відфільтрована та регульована, щоб отримати належну постійну напругу, яка дуже необхідна для системного контролера.

У деяких випадках феритовий сердечник також усувається, щоб зробити передавач і приймач більш компактними та легкими. Ви можете побачити цю програму в бездротових зарядних пристроях для мобільних телефонів та смартфонах. Як ми всі знаємо в даний час галузі, які конкурують між собою, щоб випустити високопродуктивні смартфони та інші пристрої, які легші, тонші та крутіші. Дизайнери буквально бачать кошмари, щоб досягти цих функцій без шкоди для продуктивності, тому робити пристрій громіздким лише заради бездротової передачі енергії неприпустимо. Тож дизайнери та інженери розробляють більш тонкі та легкі модулі, які можна вставити у смартфони та планшети.

Тут ви можете побачити внутрішню конструкцію останнього бездротового зарядного пристрою.

Смартфон з можливістю бездротового живлення також матиме подібну котушку, щоб зробити можливим електромагнітну індукцію. На малюнку нижче ви можете побачити, як тонка котушка кріпиться в нижньому кінці смартфона біля батареї. Ви можете побачити, як інженери спроектували цей бездротовий зарядний пристрій настільки тонкий без шкоди для його продуктивності. Робота цієї установки схожа на обговорений вище випадок, за винятком того, що вона не має жодного феритового сердечника в центрі обмотки.

Хоча такий спосіб передачі потужності за допомогою електромагнітної індукції здається простим, але він не порівнянний з ефективним способом подачі потужності через кабель.

Бездротова передача потужності на основі магнітно-резонансної індукції

Магнітно-резонансна індукція - це форма індуктивної зв'язку, при якій потужність передається магнітними полями між двома резонансними ланцюгами (налаштованими ланцюгами), одним в передавачі і одним в приймачі. Через це установка схеми індукції магнітно-резонансної індукції повинна бути дуже схожою на схему індуктивної сполуки, про яку ми вже говорили раніше.

Ви можете бачити на цьому малюнку, за винятком наявності послідовних конденсаторів, вся схема аналогічна попередньому випадку.

Робота: робота цієї моделі також дуже схожа на попередній випадок, за винятком того, що схеми, наявні в передавачі та приймачі, налаштовані на роботу на резонансній частоті. Конденсатори спеціально з'єднані послідовно з обома котушками для досягнення цього резонансного ефекту.

Як ми всі знаємо, конденсатор послідовно з індуктивністю утворює послідовну ланцюг РХ, як показано на малюнку. І значення частоти, на якій цей ланцюг буде працювати в резонансі, може бути представлено як, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Тут L = значення індуктора та C = значення конденсатора.

Використовуючи ту саму формулу, ми розрахуємо значення резонансної частоти для схеми передавача потужності та відрегулюємо частоту джерела змінного струму до цього розрахункового значення.

Як тільки частота джерела налаштована, схема передавача разом із схемою приймача буде працювати на резонансній частоті. Після цього в ланцюзі приймача повинна бути індукована ЕРС відповідно до Закону Індукції Фарадея, як ми обговорювали в попередньому випадку. І ця індукована ЕРС буде виправлена, відфільтрована та регульована, щоб отримати належну постійну напругу, як показано на малюнку.

До цього часу ми обговорювали різні методи, які можна використовувати для бездротової передачі енергії разом із типовими схемами їх застосування. І ми використовуємо ці методи для розробки схем для всіх бездротових систем передачі енергії, таких як бездротовий зарядний пристрій, бездротова система зарядки електромобілів, бездротова передача потужності для безпілотників, літаків тощо.

Стандарти бездротової передачі енергії

Тепер, коли кожна компанія розробляє власні виробництва та зарядні станції, існує потреба у загальних стандартах серед усіх розробників, щоб споживач міг вибрати найкращий серед океану вибору. Тож кілька стандартів дотримуються всі галузі, які працюють над розробкою бездротових систем передачі енергії.

Різні стандарти, що використовуються для розробки бездротових пристроїв передачі енергії, таких як бездротовий зарядний пристрій:

Стандарти "Qi" - від Консорціуму бездротових мереж:

• Технологія - індуктивна, резонансна - низька частота
• Низька потужність - 5 Вт, середня потужність - 15 Вт, акумуляторні кухонні прилади Qi від 100 Вт до 2,4 кВт
• Діапазон частот - 110 - 205 кГц
• Продукти - 500+ продуктів, що використовуються у понад 60 компаніях стільникового зв'язку

Стандарти "PMA" - від Power Matter Alliance:

• Технологія - індуктивна, резонансна - висока частота
• Максимальна потужність від 3,5 Вт до 50 Вт
• Діапазон частот - 277 - 357 кГц
• Продукція - лише 2, але 1000000 одиниць силових килимів розподіляються у всьому світі

Переваги бездротового зарядного пристрою

• Бездротовий зарядний пристрій дуже корисний для зарядки домашніх пристроїв, таких як смартфон, ноутбук, iPod, ноутбук, навушники тощо,
• Це забезпечує зручний, безпечний та ефективний спосіб передачі потужності без будь-якого носія.
• Екологічно чистий - не шкодить і не завдає шкоди людині чи будь-якій живій істоті.
• З його допомогою можна заряджати медичні імплантати, що призводить до поліпшення якості життя та знижує ризик зараження.
• Не потрібно звичайно турбуватися про знос гнізда живлення.
• Перебирання орієнтації кабелю живлення закінчилось із використанням бездротових зарядних пристроїв.

Недоліки бездротового зарядного пристрою

• Менша ефективність та більше втрат потужності.
• Варто більше, ніж зарядний пристрій для кабелю.
• Виправити несправність складно.
• Не підходить для високої потужності.
• Втрати енергії зростають із навантаженням.