Различни видове технологии за безжичен трансфер на енергия и тяхната работа

Всяка електронна система или устройство се нуждае от електрическа енергия, за да работи, независимо дали е от вашия стенен променлив ток или батерия. Тази електрическа енергия не може да се съхранява безкрайно във всяко акумулаторно устройство като батерии, кондензатори или суперкондензатори. Така че всички преносими устройства като лаптопи или мобилни телефони са необходими, за да бъдат свързани към електропроводи за променлив ток, за да презареждат батериите си редовно.

Обикновено електрическите кабели се използват за свързване на тези акумулаторни устройства като смартфони, таблети, слушалки, Bluetooth високоговорители и др. Към AC-DC адаптери. Използването на електронни проводникови кабели за пренос на мощност или данни между две системи е най-основният и популярен начин от самото откритие на електричеството. И хората са доволни от използването на електрически кабели досега, но с напредването на технологиите, човешката безопасност и гладът на човечеството за съвършенство в красотата води до концепциите за безжичен трансфер на енергия (WPT) или безжично предаване на енергия (WET) в картина, която отдавна е загубена в историята. В някои от предишните ни статии обяснихме подробно безжичното предаване на мощност и също така изградихме схема за безжично прехвърляне на захранването, за да свети светодиод.

Първото значително експериментално приложение за безжичен пренос на мощност (WPT) е направено в началото на 90-те години от изобретателя Никола Тесла. По време на експериментите електрическата мощност се предава чрез индуктивно и капацитивно свързване с помощта на искрово възбудени радиочестотни резонансни трансформатори, които сега се наричат намотки на Тесла. Въпреки че тези експерименти са частично успешни, те не са ефективни и изискват големи инвестиции. Така че по-късно тези експерименти се отменят и технологичното изследване е в застой в продължение на много години. Изградихме и мини тесла намотка, за да демонстрираме концепцията за намотките на Тесла.

Въпреки че дори сега няма ефективен начин за доставяне на висока мощност безжично, възможно е да се проектира схема със съвременните технологични постижения за ефективно предаване на ниска мощност между две системи. А безжичните зарядни устройства са проектирани въз основа на тази новоразработена схема, която му позволява да доставя безжично захранване на смартфони и други малки електронни устройства.

Различни технологии за безжично зареждане, използвани в безжичното зарядно устройство

Откакто концепцията за безжичен трансфер на енергия стана популярна, както учените, така и инженерите измислиха различни начини да реализират тази концепция. Въпреки че повечето от тези експерименти водят до неуспехи или непрактични резултати, малко от тези експерименти наистина дават задоволителни резултати. Тези тествани и работещи начини за постигане на безжичен трансфер на енергия имат свои предимства, недостатъци и характеристики. Сред тези различни методи само няколко се използват при проектирането на безжични зарядни устройства. Whiles други методи имат своя собствена област на приложение и предимства.

Сега за по-добро разбиране тези методи се класифицират въз основа на разстоянието на предаване, максималната мощност и метода, използван за постигане на предаване на мощност. На фигурата по-долу можем да видим различни начини, използвани за постигане на технология за безжичен трансфер на енергия и тяхната класификация.

Тук,

Първата и най-важна класификация се основава на това доколко е възможен преносът на мощност. При експериментираните методи някои са способни да доставят мощност безжично към товари на голямо разстояние, докато други биха могли да доставят енергия само на товари само на няколко сантиметра от източника. Така че първото разделение се основава на това дали методът е от близко или далечно поле.
Разликата в способността за разстояние се основава на вида на явлението, използвано от различни методи за постигане на безжичен трансфер на енергия. Например, ако средата, използвана от метода за подаване на мощност, е Електромагнитна индукция, тогава максималното разстояние може да бъде не по-голямо от 5 см. Това е така, защото загубата на магнитен поток нараства експоненциално с увеличаване на разстоянието между източника и товара, което води до неприемливи загуби на мощност. От друга страна, ако средата, използвана от метода за доставяне на мощност, е електромагнитно излъчванетогава максималното разстояние може да достигне няколко метра. Това е така, защото EMR може да се концентрира до фокусна точка, която е на метри от източника. Също така методите, които използват EMR като среда за доставяне на енергия, имат по-висока ефективност в сравнение с други.
По многото начини, споменати по-горе, някои са по-популярни от други, а популярните методи, използвани широко, са разгледани по-долу.

Има два популярни метода за безжично предаване на мощност, които използват електромагнитно излъчване като средно - Микровълнова мощност и Лазерна / светлинна мощност

Микровълнов безжичен трансфер на мощност

Тъй като самото име го дава в този метод, той ще използва микровълновия спектър на EMR, за да достави енергия за натоварване. Първо, предавателят ще черпи енергия от контакт или друг стабилен източник на захранване и след това ще регулира тази променлива мощност до необходимото ниво. След това предаваната мощност ще генерира микровълни, като консумира това регулирано захранване. Микровълните пътуват във въздуха без никакво прекъсване, за да стигнат до приемника или товара. Приемникът ще бъде оборудван с подходящи устройства за приемане на това микровълново излъчване и преобразуването му в електрическа енергия. Тази преобразувана електрическа мощност е право пропорционална на количеството микровълново лъчение, достигнато до приемника и по този начин се постига безжичен трансфер на мощност с помощта на микровълнова радиация.

Безжичен трансфер на мощност с лазерна светлина

Всеки човек, който се занимава с електроника и електрическа енергия, е трябвало да срещне концепция, наречена генериране на слънчева енергия. И ако добре си спомняте, концепцията за генериране на слънчева енергия не е нищо друго освен използване на електромагнитно излъчване на слънце за генерирано електричество. Този процес на преобразуване може да се основава на системи от слънчеви панели, слънчево отопление или всяка друга, а зарядното устройство за слънчева енергия може лесно да бъде изградено с помощта на слънчеви панели. Но ключовият въпрос тук е енергията, пренесена от слънцето на земята, е под формата на електромагнитно излъчване и по-специално във видимия спектър и трансфера на енергия тук, извършен безжично. Следователно концепцията за генериране на слънчева енергия сама по себе си е мега безжична система за пренос на енергия.

Сега, ако заменим слънцето с по-малък EMR генератор (или просто източник на светлина), тогава можем да фокусираме генерираното лъчение върху товар, който е на стотици метри от светлинния източник. След като тази фокусирана светлина достигне слънчевия панел на модула на приемника (или товара), тя преобразува светлинната енергия в електрическа енергия, което е първоначалната цел на настройката за безжично предаване на енергия.

Досега обсъждахме техники или методи, които могат да доставят мощност на товар, който е на няколко метра от източника. Въпреки че тези техники имат възможност за разстояние, те са обемисти и скъпи, така че не са подходящи за дизайн на зарядно устройство. Най-практичните методи, които могат да бъдат използвани при проектирането на безжични зарядни устройства, са именно „ Тип индуктивно свързване“ и „ Магнитно-резонансна индукция “. Това са двата метода, които използват закона на Фарадес за електромагнитната индукция като принцип и магнитния поток като разпространяващ се феномен за постигане на безжично предаване на мощност.

Безжично предаване на мощност с помощта на индуктивно свързване

Настройката, използвана в индуктивното свързване, е много подобна на тази, използвана за електрически трансформатор. За по-добро разбиране нека разгледаме типичната схема на приложение на метода за безжично прехвърляне на мощност с индуктивно свързване.

В горната функционална схема имаме два раздела, единият е настройка за пренос на електрическа енергия, а другият е настройка на приемника за електрическа енергия.
И двете секции са електрически изолирани помежду си и са разделени от изолатор с широчина няколко сантиметра. Въпреки че и двете секции нямат никакво електрическо взаимодействие, все пак има магнитна връзка между тях.
Източникът на променливо напрежение, присъстващ в модула на предавателя, осигурява захранване на цялата система.

Работа на безжично предаване от тип индуктивно съединение: От началото в модула на предавателя присъства токов поток в намотката на проводника, тъй като източник на променливо напрежение е свързан към крайните клеми на намотката. И поради този токов поток трябва да се генерира магнитно поле около проводниците на намотката, която е плътно навита около феритна сърцевина. Поради наличието на среда, целият магнитен поток на намотката се концентрира върху феритната сърцевина. Този поток се движи по оста на феритната сърцевина и се изхвърля в свободното пространство извън предавателния модул, както е показано на фигурата.

Сега, ако доближим приемния модул близо до предавателя, тогава магнитният поток, излъчван от предавателя, ще прекъсне бобината, присъстваща в приемния модул. Тъй като потокът, генериран от модула на предавателя, е различен поток, тогава в проводника трябва да се индуцира ЕМП в неговия обхват съгласно Закона за електромагнитната индукция на Фарадес. Въз основа на тази теория ЕМП трябва също да се индуцира в приемната намотка, която изпитва магнитния поток, генериран от предавателя. Това генерирано напрежение ще бъде коригирано, филтрирано и регулирано, за да се получи подходящо DC напрежение, което е много необходимо за системния контролер.

В някои случаи феритната сърцевина също се елиминира, за да направи предавателя и приемника по-компактни и леки. Можете да видите това приложение в безжично зарядно устройство за мобилен телефон и двойка смартфон. Както всички ние познаваме индустриите, които в момента се съревновават, за да пуснат високопроизводителни смартфони и други устройства, които са по-леки, по-тънки и по-хладни. Дизайнерите буквално сънуват кошмари, за да постигнат тези функции, без да нарушават производителността, така че да направи устройството обемисто само заради безжичното предаване на енергия е неприемливо. Така че дизайнерите и инженерингът предлагат по-тънки и леки модули, които могат да бъдат вградени в смартфони и таблети.

Тук можете да видите вътрешната конструкция на най-новото безжично зарядно устройство.

Смартфонът с възможност за безжично захранване също ще има подобна намотка, за да направи възможна електромагнитната индукция. На фигурата по-долу можете да видите как тънката намотка е прикрепена в долния край на смартфона близо до батерията. Можете да видите как инженерите са проектирали това безжично зарядно устройство толкова тънко, без да правят компромиси в неговата производителност. Работата на тази настройка е подобна на случая, обсъден по-горе, с изключение на това, че няма феритна сърцевина в центъра на намотката.

Въпреки че този начин на предаване на мощност чрез електромагнитна индукция изглежда лесен, но не е сравним с ефективен метод за доставяне на мощност през кабела.

Безжичен трансфер на мощност въз основа на магнитно-резонансна индукция

Магнитно-резонансната индукция е форма на индуктивно свързване, при която мощността се предава от магнитни полета между две резонансни вериги (настроени вериги), една в предавателя и една в приемника. Поради това настройката на веригата за магнитно-резонансна индукция трябва да бъде много подобна на веригата за индуктивно свързване, която обсъдихме по-рано.

Можете да видите на тази фигура, с изключение на наличието на серийни кондензатори, цялата верига е подобна на предишния случай.

Работа: Работата на този модел също е много подобна на предишния случай, с изключение на това, че веригите в предавателя и приемника са настроени да работят на резонансна честота. Кондензаторите са специално свързани последователно с двете намотки, за да се постигне този резонансен ефект.

Както всички знаем, кондензатор последователно с индуктор ще образува последователна LC верига, както е показано на фигурата. И стойността на честотата, с която тази схема ще работи в резонанс, може да бъде дадена като, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Тук L = стойност на индуктора и C = стойност на кондензатора.

Използвайки същата формула, ние ще изчислим стойността на резонансната честота за веригата на предавателя на мощността и ще настроим честотата на източника на променлив ток към тази изчислена стойност.

След като се настрои честотата на източника, тогава веригата на предавателя заедно с веригата на приемника ще работи на резонансната честота. След това в приемната верига трябва да се индуцира ЕМП съгласно Закона за индукцията на Фарадес, както обсъждахме в предишния случай. И тази индуцирана ЕМП ще бъде коригирана, филтрирана и регулирана, за да се получи правилно постояннотоково напрежение, както е показано на фигурата.

Досега обсъждахме различни техники, които могат да се използват за безжично предаване на енергия, заедно с типичните им схеми за приложение. И ние използваме тези методи, за да разработим схеми за всички системи за безжично предаване на енергия, като безжично зарядно устройство, безжична система за зареждане на електрически превозни средства, безжичен трансфер на мощност за дронове, самолети и т.н.

Стандарти за безжичен трансфер на енергия

Сега, когато всяка компания разработва свои собствени производства и станции за зареждане, има нужда от общи стандарти за всички разработчици, за да накара потребителите да изберат най-доброто сред океана от избори. Така че няколко стандарта се следват от всички индустрии, които работят върху разработването на системи за безжично предаване на енергия.

Различни стандарти, използвани за разработване на безжични устройства за пренос на енергия като безжично зарядно устройство:

Стандарти „Qi“ - от Wireless Power Consortium:

Технология - индуктивна, резонансна - ниска честота
Ниска мощност - 5W, средна мощност - 15W, безжични кухненски уреди Qi от 100W до 2,4kW
Честотен диапазон - 110 - 205 kHz
Продукти - 500+ продукта и се използват в повече от 60 компании за клетъчни телефони

Стандарти „PMA“ - от Power Matter Alliance:

Технология - индуктивна, резонансна - висока честота
Максимална мощност от 3,5W до 50W
Честотен диапазон - 277 - 357 kHz
Продукти - само 2, но 1 000 000 захранващи подложки се разпространяват в световен мащаб

Предимства на безжичното зарядно устройство

Безжичното зарядно устройство е много полезно за зареждане на домашни устройства като смартфон, лаптоп, iPod, лаптоп, слушалки и т.н.,
Той осигурява удобен, безопасен и ефективен начин за прехвърляне на мощност без никаква среда.
Екологичен - Не вреди или наранява човек или живо същество.
Може да се използва за зареждане на медицински импланти, което води до подобряване на качеството на живот и намалява риска от инфекция.
Няма нужда от обичайно притеснение относно износването на захранващия жак.
Преместването на ориентацията на захранващия кабел приключи с използването на безжични зарядни устройства.

Недостатъци на безжичното зарядно устройство

По-малка ефективност и повече загуба на мощност.
Разходи повече от кабелното зарядно устройство.
Поправянето на повредата е трудно.
Не е подходящ за доставяне с висока мощност.
Загубите на енергия се увеличават с натоварването.