Različite vrste tehnologija bežičnog prijenosa snage i njihov rad

Svakom elektroničkom sustavu ili uređaju za rad je potrebna električna energija, bilo da se radi o zidnom izmjeničnom napajanju ili iz baterije. Ova električna snaga ne može se beskrajno pohraniti u bilo koji punjivi uređaj poput baterija, kondenzatora ili superkondenzatora. Dakle, svi prijenosni uređaji poput prijenosnih računala ili mobilnih telefona potrebni su za spajanje na mrežne vodove izmjenične struje radi redovitog punjenja baterija.

Obično se električni kabeli koriste za povezivanje ovih punjivih uređaja poput pametnih telefona, tableta, slušalica, Bluetooth zvučnika itd. Na AC-DC adaptere. Korištenje elektroničkih vodičkih kabela za prijenos snage ili podataka između dva sustava najosnovniji je i najpopularniji način od samog otkrića električne energije. I ljudi su do sada bili zadovoljni korištenjem električnih kabela, ali s napretkom tehnologije, ljudska sigurnost i glad čovječanstva za savršenstvom u ljepoti dovode do koncepata bežičnog prijenosa snage (WPT) ili bežičnog prijenosa energije (WET) u sliku koja je davno izgubljena u povijesti. U nekim od naših prethodnih članaka detaljno smo objasnili bežični prijenos snage, a također smo izgradili i sklop za bežični prijenos snage za svijetljenje LED-a.

Prvu značajnu eksperimentalnu aplikaciju za bežični prijenos snage (WPT) izveo je početkom 1890-ih izumitelj Nikola Tesla. Tijekom pokusa električna snaga prenosi se induktivnim i kapacitivnim sprezanjem pomoću radiofrekvencijskih rezonantnih transformatora pobuđenih iskrom, koji se danas nazivaju Teslin zavojnice. Iako su ovi eksperimenti djelomično uspješni, nisu učinkoviti i zahtijevaju velika ulaganja. Tako su kasnije ti eksperimenti ukinuti, a tehnološka studija stagnirala je dugi niz godina. Također smo izgradili mini tesla zavojnicu da demonstriramo koncept Teslinih zavojnica.

Iako čak i sada ne postoji učinkovit način bežičnog isporučivanja velike snage, moguće je dizajnirati sklop sa sadašnjim tehnološkim dostignućima za učinkovit prijenos male snage između dva sustava. A bežični punjači dizajnirani su na temelju ovog novorazvijenog sklopa koji mu omogućuje bežično napajanje pametnih telefona i drugih malih elektroničkih uređaja.

Razna tehnologija bežičnog punjenja koja se koristi u bežičnom punjaču

Otkad je koncept bežičnog prijenosa snage postao popularan, i znanstvenici i inženjeri smislili su razne načine kako taj koncept realizirati. Iako je većina tih eksperimenata dovela do neuspjeha ili nepraktičnih rezultata, malo je tih eksperimenata dalo zadovoljavajuće rezultate. Ovi testirani i radni načini za postizanje bežičnog prijenosa snage imaju svoje prednosti, nedostatke i značajke. Među tim raznim metodama, samo se nekoliko koristi pri dizajniranju bežičnih punjača. Ostale metode imaju svoje područje primjene i prednosti.

Sada su za bolje razumijevanje ove metode klasificirane na temelju udaljenosti prijenosa, maksimalne snage i metode koja se koristi za postizanje prijenosa snage. Na donjoj slici možemo vidjeti razne načine koji se koriste za postizanje tehnologije bežičnog prijenosa snage i njihovu klasifikaciju.

Ovdje,

• Prva i najvažnija klasifikacija temelji se na tome koliko je moguć prijenos snage. U eksperimentiranim metodama neki su sposobni bežično isporučivati ​​napajanje teretima na velikoj udaljenosti, dok su drugi mogli isporučivati ​​snagu samo opterećenjima udaljenim samo nekoliko centimetara od izvora. Dakle, prva podjela temelji se na tome je li metoda Blisko ili Daleko polje.
• Razlika u mogućnosti udaljenosti temelji se na vrsti pojave koja se koristi različitim metodama za postizanje bežičnog prijenosa snage. Na primjer, ako je medij koji se koristi za isporučivanje energije elektromagnetska indukcija, tada maksimalna udaljenost ne može biti veća od 5 cm. To je zato što se gubitak magnetskog toka eksponencijalno povećava s povećanjem udaljenosti između izvora i opterećenja, što dovodi do neprihvatljivih gubitaka snage. S druge strane, ako je medij kojim se metoda koristi za isporučivanje snage elektromagnetsko zračenjetada maksimalna udaljenost može doseći i nekoliko metara. To je zato što se EMR može koncentrirati do žarišne točke koja je udaljena nekoliko metara od izvora. Također, metode koje koriste EMR kao medij za isporuku snage imaju veću učinkovitost u usporedbi s drugima.
• Na mnogo gore spomenutih načina neki su popularniji od drugih, a u nastavku se govori o popularnim metodama koje se široko koriste.

Postoje dvije popularne metode za bežični prijenos snage koje koriste elektromagnetsko zračenje kao srednje - Mikrovalna snaga i Laserska / svjetlosna snaga

Mikrovalni bežični prijenos snage

Kako ga samo ime odaje u ovoj metodi, on će koristiti mikrovalni spektar EMR za isporuku snage za opterećenje. Prvo, odašiljač će crpiti energiju iz utičnice ili bilo kojeg drugog stabilnog izvora napajanja, a zatim će regulirati ovu izmjeničnu snagu na potrebnu razinu. Nakon toga, odabrana snaga generirat će mikrovalne pećnice trošeći ovo regulirano napajanje. Mikrovalne pećnice putuju zrakom bez ikakvih prekida kako bi došle do prijemnika ili tereta. Prijemnik će biti opremljen odgovarajućim uređajima za primanje ovog mikrovalnog zračenja i njegovo pretvaranje u električnu energiju. Ova pretvorena električna snaga izravno je proporcionalna količini mikrovalnog zračenja doprijete do prijemnika i time je postignut bežični prijenos snage pomoću mikrovalnog zračenja.

Laserski svjetlosni bežični prijenos snage

Svaka osoba koja se bavi elektronikom i električnom energijom trebala je naići na koncept koji se naziva solarna energija. I ako se dobro sjećate, koncept solarne proizvodnje električne energije nije ništa drugo nego korištenje elektromagnetskog zračenja sunca za dobivanje električne energije. Ovaj proces pretvorbe može se temeljiti na sustavima solarnih panela, solarnom grijanju ili bilo kojem drugom, a punjač solarne energije može se lako izgraditi pomoću solarnih panela. Ali ovdje je ključno pitanje energija koju sunce prenosi na zemlju u obliku je elektromagnetskog zračenja, a posebno u vidljivom spektru i prijenos energije ovdje se vrši bežično. Stoga je koncept solarne proizvodnje energije sam po sebi mega bežični sustav za prijenos snage.

Ako sunce zamijenimo manjim EMR generatorom (ili jednostavno izvorom svjetlosti), tada možemo usmjeriti nastalo zračenje na teret koji je stotinama metara udaljen od izvora svjetlosti. Jednom kada ovo fokusirano svjetlo dosegne solarnu ploču prijemničkog modula (ili opterećenja), pretvara svjetlosnu energiju u električnu, što je izvorni cilj postavljanja bežičnog prijenosa snage.

Do sada smo razgovarali o tehnikama ili metodama koje mogu isporučiti snagu za opterećenje udaljeno nekoliko metara od izvora. Iako ove tehnike imaju mogućnost udaljenosti, glomazne su i skupe pa nisu prikladne za dizajn mobilnog punjača. Najpraktičnije metode koje se mogu koristiti za dizajn bežičnih punjača su " Induktivni spoj" i " Magnetska rezonantna indukcija ". To su dvije metode koje kao princip koriste Faradaysov zakon elektromagnetske indukcije, a magnetski tok kao pojavu širenja za postizanje bežičnog prijenosa snage.

Bežični prijenos snage pomoću induktivnog spajanja

Postava koja se koristi u induktivnoj sprezi vrlo je slična onoj koja se koristi za električni transformator. Za bolje razumijevanje, pogledajmo tipični aplikacijski krug metode bežičnog prijenosa snage induktivne sprege.

• U gornjem funkcionalnom dijagramu imamo dva odjeljka, jedan je postavka prijenosa električne energije, a drugi postavka prijemnika električne energije.
• Oba su dijela međusobno električno izolirana i odvojena su izolatorom širine nekoliko centimetara. Iako oba odjeljka nemaju nikakvu električnu interakciju, ipak postoji magnetna sprega između njih.
• Izvor izmjeničnog napona prisutan u modulu odašiljača daje napajanje cijelom sustavu.

Rad bežičnog prijenosa induktivne sprege: Od početka je u modulu odašiljača prisutan strujni tok u zavojnici vodiča, jer je izvor izmjeničnog napona povezan s krajnjim stezaljkama zavojnice. I zbog tog strujanja struje trebalo bi stvoriti magnetsko polje oko vodiča zavojnice koja je čvrsto namotana oko feritne jezgre. Zbog prisutnosti medija, sav magnetski tok zavojnice koncentrira se na feritnu jezgru. Taj se tok kreće duž osi feritne jezgre i izbacuje se u slobodni prostor izvan prijenosnog modula, kao što je prikazano na slici.

Ako približimo prijemni modul blizu odašiljača, tada će magnetski tok koji emitira odašiljač presjeći zavojnicu koja se nalazi u prijemnom modulu. Budući da je protok koji generira modul odašiljača različiti tok, tada se u vodič doveden u njegov opseg EMF mora voditi EMF prema Faradaysovom zakonu o elektromagnetskoj indukciji. Na temelju ove teorije EMF se također mora inducirati u zavojnicu prijemnika koja doživljava magnetski tok koji generira odašiljač. Ovaj generirani napon ispravit će se, filtrirati i regulirati kako bi se dobio odgovarajući istosmjerni napon koji je prijeko potreban za upravljač sustava.

U nekim se slučajevima eliminira i feritna jezgra kako bi se odašiljač i prijemnik učinili kompaktnijim i laganim. Ovu aplikaciju možete vidjeti u bežičnom punjaču za mobilni telefon i u paru pametnih telefona. Kao što svi znamo industrije koje se trenutačno natječu "vrat uz vrat" u izdavanju pametnih telefona visokih performansi i drugih uređaja koji su lakši, tanji i hladniji. Dizajneri doslovno sanjaju noćne more kako bi postigli ove značajke bez ugrožavanja performansi, pa je neprihvatljivo stvaranje uređaja glomaznim samo radi bežičnog prijenosa snage. Dakle, dizajneri i inženjeri smišljaju više tanjih i lakših modula koji se mogu ugraditi u pametne telefone i tablete.

Ovdje možete vidjeti unutarnju konstrukciju najnovijeg bežičnog punjača.

Pametni telefon s bežičnim napajanjem također će imati sličnu zavojnicu kako bi omogućio elektromagnetsku indukciju. Na donjoj slici možete vidjeti kako je tanka zavojnica pričvršćena na donjem kraju pametnog telefona blizu baterije. Možete vidjeti kako su inženjeri dizajnirali ovaj bežični punjač tako tanak bez ugrožavanja njegovih performansi. Rad ove postavke sličan je gore spomenutom slučaju, osim što u središtu namota nema feritnu jezgru.

Iako se ovaj način prijenosa snage putem elektromagnetske indukcije čini lakim, ali nije usporediv s učinkovitom metodom isporuke snage putem kabela.

Bežični prijenos snage temeljen na magnetskoj rezonantnoj indukciji

Magnetska rezonantna indukcija oblik je induktivne sprege u kojem se snaga prenosi magnetskim poljima između dva rezonantna kruga (podešeni krugovi), jednog u odašiljaču i jednog u prijamniku. Zbog toga postava kruga magnetske rezonantne indukcije mora biti vrlo slična krugu induktivne sprege o kojem smo prethodno razgovarali.

Na ovoj slici možete vidjeti, osim što je prisutnost serijskih kondenzatora čitav krug sličan prethodnom slučaju.

Rad: Rad ovog modela također je vrlo sličan prethodnom slučaju, osim što su ovdje krugovi prisutni u odašiljaču i prijemniku podešeni da rade na rezonantnoj frekvenciji. Kondenzatori su posebno povezani u seriju s obje zavojnice kako bi se postigao ovaj rezonantni efekt.

Kao što svi znamo, kondenzator u seriji s prigušnicom formirat će serijski LC krug kao što je prikazano na slici. A vrijednost frekvencije na kojoj će ovaj krug raditi u rezonanciji može se dati kao, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Ovdje je L = vrijednost induktora i C = vrijednost kondenzatora.

Korištenjem iste formule izračunati ćemo vrijednost rezonantne frekvencije za krug odašiljača snage i prilagoditi frekvenciju izmjeničnog izvora napajanja toj izračunatoj vrijednosti.

Jednom kada se podesi frekvencija izvora, tada će sklop odašiljača zajedno sa krugom prijemnika raditi na rezonantnoj frekvenciji. Nakon toga, EMF mora biti induciran u krugu prijamnika prema Faradayevom zakonu indukcije kao što smo raspravljali u prethodnom slučaju. I ovaj inducirani EMF ispravit će se, filtrirati i regulirati kako bi se dobio odgovarajući istosmjerni napon kao što je prikazano na slici.

Do sada smo razgovarali o raznim tehnikama koje se mogu koristiti za bežični prijenos snage zajedno s njihovim tipičnim aplikacijskim krugovima. A mi koristimo ove metode za razvoj sklopova za sve bežične sustave prijenosa snage kao što su bežični punjač, ​​bežični sustav punjenja električnih vozila, bežični prijenos snage za dronove, avione itd.

Standardi bežičnog prijenosa snage

Sada sa svakom tvrtkom koja razvija vlastite proizvodnje i stanice za punjenje, potrebni su zajednički standardi među svim programerima kako bi potrošači odabrali najbolje među oceanom izbora. Dakle, nekoliko standarda slijede sve industrije koje rade na razvoju sustava bežičnog prijenosa energije.

Razni standardi koji se koriste za razvoj uređaja za bežični prijenos snage poput bežičnog punjača:

Standardi 'Qi' - od Wireless Power Consortium:

• Tehnologija - induktivna, rezonantna - niska frekvencija
• Mala snaga - 5W, srednja snaga - 15W, Qi bežični kuhinjski uređaji od 100W do 2,4kW
• Frekvencijski raspon - 110 - 205 kHz
• Proizvodi - 500+ proizvoda koji se koriste u više od 60 tvrtki za mobilnu telefoniju

'PMA' standardi - od strane Power Matter Alliance:

• Tehnologija - induktivna, rezonantna - visoka frekvencija
• Izlaz snage maks. Od 3,5 W do 50 W
• Frekvencijski raspon - 277 - 357 kHz
• Proizvodi - globalno se distribuira samo 2, ali 1000000 jedinica prostirki

Prednosti bežičnog punjača

• Bežični punjač vrlo je koristan za punjenje kućnih uređaja kao što su pametni telefon, prijenosno računalo, iPod, prijenosno računalo, slušalice itd.,
• Pruža prikladan, siguran i učinkovit način prijenosa snage bez ikakvog medija.
• Ekološki prihvatljivo - Ne šteti niti ozljeđuje čovjeka ili bilo koje živo biće.
• Može se koristiti za punjenje medicinskih implantata što rezultira poboljšanjem kvalitete života i smanjuje rizik od infekcije.
• Nema potrebe za uobičajenom brigom zbog istrošenosti utičnice.
• Premetanje orijentacije kabela za napajanje gotovo je pomoću bežičnih punjača.

Mane bežičnog punjača

• Manja učinkovitost i veći gubitak snage.
• Troši više od punjača za kabele.
• Popravak kvara je težak.
• Nije prikladno za isporuku velike snage.
• Gubici energije rastu s opterećenjem.