Diferents tipus de tecnologies de transferència d’energia sense fils i el seu funcionament

Tots els sistemes o dispositius electrònics necessiten energia elèctrica per funcionar, ja sigui del subministrament de CA de paret o de la bateria. Aquesta energia elèctrica no es pot emmagatzemar infinitament en cap dispositiu recarregable com bateries, condensadors o supercondensadors. Per tant, cal disposar de qualsevol dispositiu portàtil com ara ordinadors portàtils o telèfons mòbils per connectar-se a línies d’alimentació de CA per recarregar les bateries regularment.

Normalment s’utilitzen cables elèctrics per connectar aquests dispositius recarregables com a telèfons intel·ligents, tauletes, auriculars, altaveus Bluetooth, etc. a adaptadors AC-DC. L’ús de cables de conductors electrònics per transferir energia o dades entre dos sistemes és la forma més bàsica i popular des del descobriment de l’electricitat. I la gent està feliç fent servir cables elèctrics fins ara, però amb l’avenç de la tecnologia, la seguretat humana i la gana de perfecció en la bellesa de la humanitat condueixen als conceptes de transferència d’energia sense fils (WPT) o transmissió d’energia sense fils (WET) en una imatge que s’ha perdut des de fa molt de temps. a la història. En alguns dels nostres articles anteriors, hem explicat amb detall la transmissió de potència sense fils i també hem creat un circuit per transferir sense fils el poder per encendre un LED.

La primera aplicació experimental considerable per a la transferència de potència sense fils (WPT) va ser feta a principis de la dècada de 1890 per l’inventor Nikola Tesla. Durant els experiments, l'energia elèctrica es transmet mitjançant un acoblament inductiu i capacitiu mitjançant transformadors ressonants de radiofreqüència excitats per espurna, ara anomenats bobines Tesla. Tot i que aquests experiments tenen parcialment èxit, no són eficients i requereixen una gran inversió. Per tant, més endavant, aquests experiments es desestimen i l’estudi tecnològic s’ha estancat durant molts anys. També hem construït una mini bobina Tesla per demostrar el concepte de bobines Tesla.

Tot i que encara ara no hi ha una manera eficaç de subministrar alta potència sense fils, és possible dissenyar un circuit amb els avanços tecnològics actuals per transferir eficaçment la baixa potència entre dos sistemes. I els carregadors sense fils estan dissenyats basant-se en aquest circuit de recent desenvolupament que li permet subministrar energia als telèfons intel·ligents i altres petits dispositius electrònics sense fils.

Diverses tecnologies de càrrega sense fils utilitzades al carregador sense fils

Des que es va popularitzar el concepte de transferència d’energia sense fils, tant els científics com els enginyers van proposar diverses maneres de realitzar aquest concepte. Tot i que la majoria d’aquests experiments van provocar fracassos o resultats poc pràctics, pocs d’aquests experiments van produir resultats satisfactoris. Aquestes maneres provades i de treball per aconseguir la transferència de potència sense fils tenen els seus propis avantatges, desavantatges i característiques. Entre aquests diversos mètodes, només s’utilitzen un parell per dissenyar carregadors sense fils. Mentre que altres mètodes tenen la seva pròpia àrea d’aplicació i els seus avantatges.

Ara per a una millor comprensió, aquests mètodes es classifiquen en funció de la distància de transmissió, la potència màxima i el mètode utilitzat per aconseguir la transmissió de potència. A la figura següent podem veure diverses maneres d’utilitzar la tecnologia de transferència d’energia sense fils i la seva classificació.

Aquí,

La primera i més important classificació es basa en fins a quin punt és possible la transferència de potència. En els mètodes experimentats, alguns són capaços de subministrar energia sense fils a càrregues a gran distància, mentre que d'altres només podrien subministrar energia a càrregues a pocs centímetres de la font. Per tant, la primera divisió es basa en si el mètode és de camp proper o camp llunyà.
La diferència en la capacitat de distància es basa en el tipus de fenomen utilitzat per diversos mètodes per aconseguir la transferència de potència sense fils. Per exemple, si el mitjà utilitzat pel mètode per subministrar energia és la inducció electromagnètica, la distància màxima no pot ser superior a 5 cm. Això es deu al fet que la pèrdua de flux magnètic augmenta exponencialment amb un augment de la distància entre la font i la càrrega que condueix a pèrdues de potència inacceptables. En canvi, si el mitjà utilitzat pel mètode per subministrar energia és la radiació electromagnèticallavors la distància màxima pot arribar a ser tan alta uns metres. Això es deu al fet que l’EMR es pot concentrar a un punt focal que es troba a metres de distància de la font. A més, els mètodes que fan servir EMR com a mitjà per subministrar energia tenen una eficiència superior en comparació amb altres.
De moltes maneres esmentades anteriorment, algunes són més populars que altres i els mètodes populars utilitzats àmpliament es discuteixen a continuació.

Hi ha dos mètodes populars per a la transmissió de potència sense fils que utilitzen la radiació electromagnètica com a potència mitjana de microones i potència làser / llum

Transferència d'alimentació sense fils de microones

Com el propi nom el dóna en aquest mètode, utilitzarà l’espectre de microones d’EMR per subministrar energia a la càrrega. En primer lloc, el transmissor prendrà energia d’una presa de corrent o de qualsevol altra font d’energia estable i, a continuació, regularà aquesta potència de CA al nivell requerit. Després d'això, la potència transmesa generarà microones consumint aquesta font d'alimentació regulada. Els microones viatgen per l’aire sense cap interrupció per arribar al receptor o a la càrrega. El receptor estarà equipat amb els dispositius adequats per rebre aquesta radiació de microones i convertir-la en energia elèctrica. Aquesta energia elèctrica convertida és directament proporcional a la quantitat de radiació de microones que s’arriba al receptor i, per tant, s’aconsegueix la transferència de potència sense fils mitjançant la radiació de microones.

Transferència d'alimentació sense fils de llum làser

Qualsevol persona que es dediqui a l'electrònica i l'energia elèctrica hauria d'haver trobat un concepte anomenat generació d'energia solar. I si no recordeu bé, el concepte de generació d’energia solar no és altra cosa que utilitzar la radiació electromagnètica del sol per generar electricitat. Aquest procés de conversió es pot basar en sistemes de plaques solars, calefacció solar o qualsevol altre i es pot construir fàcilment un carregador d'energia solar mitjançant panells solars. Però el tema clau aquí és que l’energia transferida pel sol a la terra es troba en forma de radiació electromagnètica i es troba específicament en l’espectre visible i la transferència d’energia aquí es realitza sense fils. Per tant, el concepte de generació d’energia solar és en si mateix un mega sistema de transmissió d’energia sense fils.

Ara, si substituïm el sol per un generador EMR més petit (o simplement una font de llum), podem enfocar la radiació generada a una càrrega que es troba a centenars de metres de la font de llum. Un cop aquesta llum focalitzada arriba al panell solar del mòdul receptor (o càrrega), converteix l’energia lumínica en energia elèctrica que és l’objectiu original de la configuració de transmissió de potència sense fils.

Fins ara, vam discutir tècniques o mètodes capaços de subministrar energia a la càrrega a pocs metres de la font. Tot i que aquestes tècniques tenen capacitat de distància, són voluminoses i costoses, de manera que no són adequades per al disseny de carregadors mòbils. Els mètodes més pràctics que es poden utilitzar per al disseny de carregadors sense fils són el " tipus d'acoblament inductiu" i la " inducció per ressonància magnètica ". Aquests són els dos mètodes que utilitzen la Llei actual d’inducció electromagnètica com a principi i el flux magnètic com a fenomen de propagació per aconseguir la transmissió de potència sense fils.

Transmissió de potència sense fils mitjançant acoblament inductiu

La configuració utilitzada en l'acoblament inductiu és molt similar a la que s'utilitza per al transformador elèctric. Per a una millor comprensió, examinem el circuit d’aplicació típic del mètode de transferència de potència sense fils d’acoblament inductiu.

Al diagrama funcional anterior, tenim dues seccions: una és la configuració de transmissió d'energia elèctrica i l'altra, la configuració del receptor d'energia elèctrica.
Les dues seccions estan aïllades elèctricament entre elles i estan separades per un aïllant d’un parell de centímetres d’amplada. Tot i que ambdues seccions no tenen cap interacció elèctrica, hi ha un acoblament magnètic entre elles.
La font de tensió de corrent altern present al mòdul transmissor proporciona energia a tot el sistema.

Funcionament de transmissió sense fils tipus acoblament inductiu: des del principi, hi ha un flux de corrent a la bobina del conductor al mòdul transmissor perquè una font de voltatge de CA està connectada als terminals finals de la bobina. I a causa d’aquest flux de corrent, s’hauria de generar un camp magnètic al voltant dels conductors de la bobina que s’enrotlla fortament al voltant d’un nucli de ferrita. A causa de la presència d’un medi, tot el flux magnètic de la bobina es concentra al nucli de ferrita. Aquest flux es mou al llarg de l'eix del nucli de ferrita i s'expulsa a l'espai lliure situat fora del mòdul de transmissió, tal com es mostra a la figura.

Ara, si apropem el mòdul receptor al transmissor, el flux magnètic emès pel transmissor tallarà la bobina present al mòdul receptor. Atès que el flux generat pel mòdul transmissor varia de flux, aleshores s’ha d’induir un CEM al conductor que es troba dins del seu rang d’acord amb la Llei actual d’inducció electromagnètica. Basant-se en aquesta teoria, també s’ha d’introduir un CEM a la bobina del receptor que experimenta el flux magnètic generat pel transmissor. Aquesta tensió generada es rectificarà, filtrarà i regularà per obtenir una tensió CC adequada que és molt necessària per al controlador del sistema.

En alguns casos, també s’elimina el nucli de ferrita per fer el transmissor i el receptor més compactes i lleugers. Podeu veure aquesta aplicació al carregador de telèfon mòbil sense fils i al parell de telèfons intel·ligents. Com tots sabem, actualment les indústries competeixen coll a coll per llançar telèfons intel·ligents d’alt rendiment i altres dispositius més lleugers, prims i frescos. Els dissenyadors tenen literalment malsons per aconseguir aquestes funcions sense comprometre el rendiment, de manera que fer que el dispositiu sigui voluminós només per transmetre energia sense fils és inacceptable. Així, els dissenyadors i l’enginyeria proposen mòduls més prims i lleugers que es poden instal·lar als telèfons intel·ligents i a les tauletes.

Aquí podeu veure la construcció interna del darrer carregador sense fils.

El telèfon intel·ligent amb capacitat d'alimentació sense fils també tindrà una bobina similar per fer possible la inducció electromagnètica. Podeu veure a la figura següent com s’adjunta la bobina prima a l’extrem inferior del telèfon intel·ligent a prop de la bateria. Podeu veure com els enginyers van dissenyar aquest carregador sense fils tan prim sense comprometre’s en el seu rendiment. El funcionament d'aquesta configuració és similar al cas comentat anteriorment, tret que no té cap nucli de ferrita al centre del bobinatge.

Tot i que aquesta forma de transmetre energia mitjançant la inducció electromagnètica sembla fàcil, però no és comparable a un mètode eficient d’alimentació a través del cable.

Transferència de potència sense fils basada en la inducció per ressonància magnètica

La inducció per ressonància magnètica és una forma d’acoblament inductiu en què la potència es transfereix mitjançant camps magnètics entre dos circuits ressonants (circuits sintonitzats), un al transmissor i un al receptor. Per això, la configuració del circuit d’inducció per ressonància magnètica ha de ser molt similar al circuit d’acoblament inductiu que hem comentat anteriorment.

Podeu veure en aquesta figura, tret de la presència de condensadors en sèrie, que el circuit sencer és similar al cas anterior.

Funcionament: el funcionament d'aquest model també és molt similar al cas anterior excepte que els circuits presents en el transmissor i el receptor estan sintonitzats per funcionar a la freqüència de ressonància. Els condensadors estan especialment connectats en sèrie amb les dues bobines per aconseguir aquest efecte de ressonància.

Com tots sabem, un condensador en sèrie amb un inductor formarà un circuit LC en sèrie com es mostra a la figura. I el valor de freqüència a què aquest circuit funcionarà en ressonància es pot donar com:

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Aquí L = valor de l’inductor i C = valor del condensador.

Mitjançant la mateixa fórmula calcularem el valor de la freqüència de ressonància per al circuit del transmissor de potència i ajustarem la freqüència de la font d'alimentació de CA a aquest valor calculat.

Un cop ajustada la freqüència de la font, el circuit transmissor juntament amb el circuit receptor funcionaran a la freqüència de ressonància. Després d'això, s'ha d'induir una CEM al circuit receptor d'acord amb la Llei d'inducció actual, tal com hem comentat en el cas anterior. I aquest CEM induït es rectificarà, filtrarà i regularà per obtenir una tensió CC adequada, tal com es mostra a la figura.

Fins ara, vam discutir diverses tècniques que es poden utilitzar per a la transmissió de potència sense fils juntament amb els seus circuits d’aplicació típics. I utilitzem aquests mètodes per desenvolupar circuits per a tots els sistemes de transmissió d’energia sense fils, com ara carregador sense fils, sistema de recàrrega de vehicles elèctrics sense fils, transferència d’energia sense fils per a avions no tripulats, avions, etc.

Normes de transferència d’energia sense fils

Ara, amb cada empresa que desenvolupa les seves pròpies produccions i estacions de recàrrega, hi ha la necessitat d’estàndards comuns entre tots els desenvolupadors per tal de fer que el consumidor triï el millor entre l’oceà de decisions. Per tant, un parell d’estàndards són seguits per totes les indústries que treballen en el desenvolupament de sistemes de transmissió d’energia sense fils.

Diversos estàndards que s’utilitzen per desenvolupar dispositius de transferència d’energia sense fils com el carregador sense fils:

Estàndards 'Qi': per Wireless Power Consortium:

Tecnologia: inductiva, ressonant, de baixa freqüència
Baixa potència - 5W, Potència mitjana - 15W, Electrodomèstics de cuina sense fil Qi de 100W a 2,4kW
Rang de freqüència: 110 - 205 kHz
Productes: més de 500 productes i s’utilitzen en més de 60 empreses de telefonia mòbil

Estàndards 'PMA': per Power Matter Alliance:

Tecnologia - Inductiva, ressonant - Alta freqüència
Potència màxima de 3,5W a 50W
Rang de freqüència: 277 - 357 kHz
Productes: només es distribueixen a tot el món 2, però 1,00,000 unitats de catifes elèctriques

Avantatges del carregador sense fils

El carregador sense fils és molt útil per carregar dispositius domèstics com un telèfon intel·ligent, un ordinador portàtil, un iPod, un portàtil, uns auriculars, etc.
Proporciona una manera còmoda, segura i eficaç de transferir energia sense cap mitjà.
Respectuós amb el medi ambient: no perjudica ni lesiona un ésser humà ni cap ésser viu.
Es pot utilitzar per carregar implants mèdics, cosa que comporta una millora de la qualitat de vida i redueix el risc d’infecció.
No cal preocupar-se habitualment pel desgast de la presa de corrent.
L’orientació del cable d’alimentació s’ha acabat amb l’ús de carregadors sense fils.

Desavantatges del carregador sense fils

Menys eficiència i més pèrdua d'energia.
Costa més que el carregador de cable.
És difícil reparar la falla.
No apte per a subministraments d’alta potència.
Les pèrdues d’energia augmenten amb la càrrega.