Различные типы технологий беспроводной передачи энергии и их работа

Каждой электронной системе или устройству для работы требуется электроэнергия, будь то от сети переменного тока или батареи. Эта электрическая энергия не может храниться бесконечно в любом перезаряжаемом устройстве, таком как батареи, конденсаторы или суперконденсаторы. Поэтому любые портативные устройства, такие как ноутбуки или мобильные телефоны, необходимо подключать к линиям электропередачи переменного тока для регулярной подзарядки батарей.

Обычно электрические кабели используются для подключения таких перезаряжаемых устройств, как смартфоны, планшеты, наушники, динамики Bluetooth и т. Д., К адаптерам переменного и постоянного тока. Использование электронных проводниковых кабелей для передачи энергии или данных между двумя системами - самый простой и популярный способ с момента открытия самого электричества. И люди довольны использованием электрических кабелей до сих пор, но с развитием технологий безопасность человека и стремление человечества к совершенству в красоте приводит к концепции беспроводной передачи энергии (WPT) или беспроводной передачи энергии (WET) в картину, которая давно утеряна. в истории. В некоторых из наших предыдущих статей мы подробно объяснили беспроводную передачу энергии, а также построили схему для беспроводной передачи энергии для свечения светодиода.

Первое значимое экспериментальное применение беспроводной передачи энергии (WPT) было сделано в начале 1890-х годов изобретателем Никола Тесла. Во время экспериментов электрическая энергия передается с помощью индуктивной и емкостной связи с использованием искрово-возбуждаемых радиочастотных резонансных трансформаторов, которые теперь называются катушками Тесла. Хотя эти эксперименты частично успешны, они неэффективны и требуют больших вложений. Так что позже эти эксперименты отменяются, и исследования технологии застопорились на много лет. Мы также построили мини-катушку Тесла, чтобы продемонстрировать концепцию катушек Тесла.

Хотя даже сейчас не существует эффективного способа передачи высокой мощности по беспроводной сети, можно спроектировать схему с использованием современных технологических достижений для эффективной передачи низкой мощности между двумя системами. А беспроводные зарядные устройства разработаны на основе этой недавно разработанной схемы, которая позволяет передавать питание на смартфоны и другие небольшие электронные устройства по беспроводной сети.

В беспроводном зарядном устройстве используются различные технологии беспроводной зарядки

С тех пор, как концепция беспроводной передачи энергии стала популярной, как ученые, так и инженеры придумали различные способы реализации этой концепции. Хотя большинство из этих экспериментов приводили к неудачам или непрактичным результатам, немногие из этих экспериментов действительно дали удовлетворительные результаты. Эти проверенные и работающие способы достижения беспроводной передачи энергии имеют свои преимущества, недостатки и особенности. Среди этих различных методов только пара используется при разработке беспроводных зарядных устройств. В то время как другие методы имеют свою область применения и преимущества.

Теперь для лучшего понимания эти методы классифицируются на основе расстояния передачи, максимальной мощности и метода, используемого для достижения передачи мощности. На рисунке ниже мы можем увидеть различные способы, используемые для достижения технологии беспроводной передачи энергии, и их классификацию.

Вот,

• Первая и самая важная классификация основана на том, насколько возможна передача энергии. В экспериментальных методах некоторые из них способны передавать питание по беспроводной сети на нагрузки, находящиеся на большом расстоянии, в то время как другие могут передавать питание только на нагрузки, находящиеся всего в нескольких сантиметрах от источника. Таким образом, первое деление зависит от того, какой метод - ближнее или дальнее.
• Разница в возможном расстоянии зависит от типа явления, используемого различными методами для беспроводной передачи энергии. Например, если в способе передачи энергии используется электромагнитная индукция, максимальное расстояние может быть не более 5 см. Это связано с тем, что потери магнитного потока экспоненциально возрастают с увеличением расстояния между источником и нагрузкой, что приводит к неприемлемым потерям мощности. С другой стороны, если среда, используемая методом для передачи энергии, является электромагнитным излучениемтогда максимальное расстояние может достигать нескольких метров. Это связано с тем, что ЭМИ можно сконцентрировать в точке фокусировки, которая находится на расстоянии нескольких метров от источника. Кроме того, методы, использующие ЭМИ в качестве среды передачи мощности, имеют более высокую эффективность по сравнению с другими.
• Во многих случаях, упомянутых выше, некоторые из них более популярны, чем другие, а широко используемые популярные методы обсуждаются ниже.

Существует два популярных метода беспроводной передачи энергии, в которых в качестве среды используется электромагнитное излучение: мощность микроволн и мощность лазера / света.

Беспроводная микроволновая передача энергии

Само название говорит о том, что в этом методе он будет использовать микроволновый спектр ЭМИ для подачи мощности на нагрузку. Сначала передатчик будет получать питание от розетки или любого другого стабильного источника питания, а затем регулировать эту мощность переменного тока до необходимого уровня. После этого передаваемая мощность будет генерировать микроволны, потребляя этот регулируемый источник питания. Микроволны проходят через воздух без каких-либо перерывов в достижении приемника или нагрузки. Приемник будет оснащен соответствующими устройствами для приема этого микроволнового излучения и преобразования его в электрическую энергию. Эта преобразованная электрическая мощность прямо пропорциональна количеству микроволнового излучения, достигаемого приемником, и, следовательно, достигается беспроводная передача энергии с использованием микроволнового излучения.

Лазерный луч беспроводной передачи энергии

Любой человек, имеющий дело с электроникой и электроэнергией, должен был столкнуться с концепцией под названием солнечная энергия. И если вы правильно помните, концепция производства солнечной энергии - это не что иное, как использование электромагнитного излучения солнца для выработки электроэнергии. Этот процесс преобразования может быть основан на системах солнечных панелей, солнечного отопления или любых других, а зарядное устройство на солнечной энергии может быть легко построено с использованием солнечных батарей. Но ключевой вопрос здесь заключается в том, что энергия, передаваемая Солнцем Земле, находится в форме электромагнитного излучения, а именно в видимом спектре, и передача энергии здесь осуществляется по беспроводной связи. Следовательно, концепция производства солнечной энергии сама по себе является мега-системой беспроводной передачи энергии.

Теперь, если мы заменим солнце меньшим генератором ЭМИ (или просто источником света), мы сможем сфокусировать генерируемое излучение на нагрузке, которая находится в сотнях метров от источника света. Как только этот сфокусированный свет достигает солнечной панели модуля приемника (или нагрузки), он преобразует световую энергию в электрическую, что является первоначальной целью настройки беспроводной передачи энергии.

До сих пор мы обсуждали методы или методы, которые могут подавать мощность на нагрузку, находящуюся в нескольких метрах от источника. Несмотря на то, что эти методы могут использоваться на расстоянии, они громоздки и дороги, поэтому не подходят для мобильных зарядных устройств. Наиболее практичными методами, которые можно использовать для разработки беспроводных зарядных устройств, являются « Тип индуктивной связи» и « Магнитно-резонансная индукция ». Эти два метода используют закон электромагнитной индукции Фарадея в качестве принципа и магнитный поток в качестве распространяющегося явления для достижения беспроводной передачи энергии.

Беспроводная передача энергии с использованием индуктивной связи

Установка, используемая в индуктивной связи, очень похожа на схему, используемую для электрического трансформатора. Для лучшего понимания давайте рассмотрим типичную схему применения метода беспроводной передачи энергии с индуктивной связью.

• На приведенной выше функциональной схеме у нас есть две секции: одна - установка передачи электроэнергии, а другая - установка приемника электроэнергии.
• Обе секции электрически изолированы друг от друга и разделены изолятором шириной в пару сантиметров. Хотя обе секции не имеют электрического взаимодействия, между ними существует магнитная связь.
• Источник переменного напряжения, присутствующий в модуле передатчика, обеспечивает питание всей системы.

Работа индуктивного типа связи Беспроводная передача: С самого начала ток в проводящей катушке присутствует в модуле передатчика, потому что источник переменного напряжения подключен к концевым клеммам катушки. И из-за этого протекания тока вокруг проводников катушки, которая плотно намотана на ферритовый сердечник, должно создаваться магнитное поле. Из-за наличия среды весь магнитный поток катушки концентрируется на ферритовом сердечнике. Этот поток движется вдоль оси ферритового сердечника и выбрасывается в свободное пространство за пределами модуля передачи, как показано на рисунке.

Теперь, если мы поднесем модуль приемника к передатчику, то магнитный поток, излучаемый передатчиком, перережет катушку, присутствующую в модуле приемника. Поскольку поток, генерируемый модулем передатчика, является изменяющимся потоком, то ЭДС должна индуцироваться в проводнике, находящемся в его зоне действия, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Основываясь на этой теории, ЭДС также должна быть наведена в катушку приемника, которая испытывает магнитный поток, создаваемый передатчиком. Это генерируемое напряжение будет выпрямляться, фильтроваться и регулироваться для получения правильного постоянного напряжения, которое очень необходимо для системного контроллера.

В некоторых случаях не используется ферритовый сердечник, чтобы сделать передатчик и приемник более компактными и легкими. Вы можете увидеть это приложение в беспроводном зарядном устройстве для мобильного телефона и в паре смартфона. Как мы все знаем, отрасли в настоящее время конкурируют друг с другом за выпуск высокопроизводительных смартфонов и других устройств, которые легче, тоньше и холоднее. Разработчикам буквально снятся кошмары, чтобы добиться этих функций без ущерба для производительности, поэтому делать устройство громоздким только ради беспроводной передачи энергии недопустимо. Поэтому дизайнеры и инженеры придумывают более тонкие и легкие модули, которые можно установить в смартфоны и планшеты.

Здесь вы можете увидеть внутреннюю конструкцию новейшего беспроводного зарядного устройства.

Смартфон с возможностью беспроводного питания также будет иметь аналогичную катушку, чтобы сделать возможной электромагнитную индукцию. На рисунке ниже вы можете увидеть, как тонкая катушка прикреплена к нижнему краю смартфона рядом с аккумулятором. Вы можете увидеть, как инженеры разработали это беспроводное зарядное устройство, такое тонкое, без ущерба для производительности. Работа этой установки аналогична описанному выше случаю, за исключением того, что в ней нет ферритового сердечника в центре обмотки.

Хотя такой способ передачи энергии через электромагнитную индукцию кажется простым, но он не сопоставим с эффективным методом передачи энергии через кабель.

Беспроводная передача энергии на основе магнитно-резонансной индукции

Магнитно-резонансная индукция - это форма индуктивной связи, при которой мощность передается с помощью магнитных полей между двумя резонансными контурами (настроенными контурами), одним в передатчике и одним в приемнике. Из-за этого настройка схемы магнитно-резонансной индукции должна быть очень похожа на схему индуктивной связи, которую мы обсуждали ранее.

Вы можете видеть на этом рисунке, за исключением наличия последовательных конденсаторов, вся схема аналогична предыдущему случаю.

Работа: Работа этой модели также очень похожа на предыдущий случай, за исключением того, что здесь цепи, присутствующие в передатчике и приемнике, настроены для работы на резонансной частоте. Конденсаторы специально подключены последовательно с обеими катушками для достижения этого резонансного эффекта.

Как мы все знаем, конденсатор, включенный последовательно с катушкой индуктивности, образует последовательную LC-цепь, как показано на рисунке. И значение частоты, на которой этот контур будет работать в резонансе, может быть задано как, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Здесь L = значение индуктивности и C = значение конденсатора.

Используя ту же формулу, мы рассчитаем значение резонансной частоты для цепи передатчика энергии и настроим частоту источника питания переменного тока на это рассчитанное значение.

Как только частота источника отрегулирована, схема передатчика вместе со схемой приемника будет работать на резонансной частоте. После этого в цепи приемника должна быть наведена ЭДС в соответствии с законом индукции Фарадея, как мы обсуждали в предыдущем случае. И эта наведенная ЭДС будет выпрямляться, фильтроваться и регулироваться для получения надлежащего постоянного напряжения, как показано на рисунке.

До сих пор мы обсуждали различные методы, которые можно использовать для беспроводной передачи энергии, а также их типичные прикладные схемы. И мы используем эти методы для разработки схем для всех систем беспроводной передачи энергии, таких как беспроводное зарядное устройство, система беспроводной зарядки электромобилей, беспроводная передача энергии для дронов, самолетов и т. Д.

Стандарты беспроводной передачи энергии

Теперь, когда каждая компания разрабатывает собственное производство и зарядные станции, всем разработчикам необходимы единые стандарты, чтобы потребитель мог выбрать лучшее из множества вариантов. Таким образом, несколько стандартов соблюдаются во всех отраслях, разрабатывающих системы беспроводной передачи энергии.

Различные стандарты, используемые для разработки устройств беспроводной передачи энергии, таких как беспроводное зарядное устройство:

Стандарты Qi - от Wireless Power Consortium:

• Технология - Индуктивная, Резонансная - Низкочастотная
• Низкая мощность - 5 Вт, Средняя мощность - 15 Вт, Беспроводная кухонная техника Qi от 100 Вт до 2,4 кВт
• Диапазон частот - 110-205 кГц
• Продукты - более 500 продуктов и используются более чем в 60 компаниях сотовой связи

Стандарты PMA - от Power Matter Alliance:

• Технология - Индуктивная, Резонансная - Высокочастотная
• Максимальная выходная мощность от 3,5 Вт до 50 Вт
• Диапазон частот - 277 - 357 кГц
• Продукция - только 2, но 100 000 единиц силовых матов распространяются по всему миру

Преимущества беспроводного зарядного устройства

• Беспроводное зарядное устройство очень полезно для зарядки домашних устройств, таких как смартфон, ноутбук, iPod, ноутбук, наушники и т. Д.
• Это удобный, безопасный и эффективный способ передачи энергии без какой-либо среды.
• Экологичность - не вредит и не травмирует человека или любое живое существо.
• Его можно использовать для зарядки медицинских имплантатов, что улучшает качество жизни и снижает риск заражения.
• Не нужно беспокоиться об износе разъема питания.
• Возникшие проблемы с ориентацией кабеля питания закончились с использованием беспроводных зарядных устройств.

Недостатки беспроводного зарядного устройства

• Меньшая эффективность и большая потеря мощности.
• Стоит больше, чем кабельное зарядное устройство.
• Ремонт по неисправности затруднен.
• Не подходит для подачи высокой мощности.
• Потери энергии увеличиваются с нагрузкой.