Rôzne typy bezdrôtových technológií na prenos energie a ich fungovanie

Každý elektronický systém alebo zariadenie potrebuje na svoju činnosť elektrickú energiu, či už ide o napájanie zo steny alebo z batérie. Táto elektrická energia sa nemôže nekonečne ukladať v žiadnych nabíjateľných zariadeniach, ako sú batérie, kondenzátory alebo superkondenzátory. Akékoľvek prenosné zariadenia, ako sú notebooky alebo mobilné telefóny, je preto potrebné pravidelne pripájať k napájacím zdrojom, aby sa pravidelne nabíjali.

Na pripojenie týchto nabíjateľných zariadení, ako sú smartfóny, tablety, slúchadlá, reproduktory Bluetooth atď., K adaptérom AC-DC sa zvyčajne používajú elektrické káble. Používanie káblov elektronických vodičov na prenos energie alebo údajov medzi dvoma systémami je najzákladnejším a najpopulárnejším spôsobom od objavenia samotnej elektriny. A ľudia sú šťastní, že používajú elektrické káble až doteraz, ale s pokrokom v oblasti technológií vedie ľudská bezpečnosť a hlad ľudstva k dokonalosti v kráse k koncepciám bezdrôtového prenosu energie (WPT) alebo bezdrôtového prenosu energie (WET) do obrazu, ktoré sa už dávno stratili. v histórii. V niektorých našich predchádzajúcich článkoch sme podrobne vysvetlili Bezdrôtový prenos energie a tiež sme vytvorili obvod na bezdrôtový prenos napájania, aby svietila LED.

Prvú značnú experimentálnu aplikáciu pre bezdrôtový prenos energie (WPT) urobil začiatkom 90. rokov 20. storočia vynálezca Nikola Tesla. Počas experimentov sa elektrická energia prenáša indukčnou a kapacitnou väzbou pomocou vysokofrekvenčných rezonančných transformátorov excitovaných iskrou, ktoré sa dnes nazývajú Teslove cievky. Aj keď sú tieto experimenty čiastočne úspešné, nie sú účinné a vyžadujú vysoké investície. Takže neskôr sú tieto experimenty vyradené a technologická štúdia na mnoho rokov stagnovala. Postavili sme tiež mini Tesla cievku, aby sme demonštrovali koncept Teslových cievok.

Aj keď v súčasnosti neexistuje efektívny spôsob bezdrôtového prenosu vysokého výkonu, je možné navrhnúť obvod so súčasným technologickým pokrokom umožňujúci efektívny prenos malého výkonu medzi dvoma systémami. A bezdrôtové nabíjačky sú navrhnuté na základe tohto novo vyvinutého obvodu, ktorý umožňuje bezdrôtové napájanie inteligentných telefónov a iných malých elektronických zariadení.

Rôzne technológie bezdrôtového nabíjania používané v bezdrôtových nabíjačkách

Odkedy sa koncept bezdrôtového prenosu energie stal populárnym, vedci aj inžinieri prišli s rôznymi spôsobmi, ako tento koncept realizovať. Aj keď väčšina z týchto experimentov viedla k zlyhaniam alebo nepraktickým výsledkom, len málo z nich prinieslo uspokojivé výsledky. Tieto testované a pracovné spôsoby dosiahnutia bezdrôtového prenosu energie majú svoje vlastné výhody, nevýhody a vlastnosti. Z týchto rôznych metód sa pri navrhovaní bezdrôtových nabíjačiek používa iba pár. Zatiaľ čo iné spôsoby majú svoju vlastnú oblasť použitia a výhody.

Teraz pre lepšie pochopenie sú tieto metódy klasifikované na základe vzdialenosti prenosu, maximálneho výkonu a metódy použitej na dosiahnutie prenosu sily. Na nasledujúcom obrázku vidíme rôzne spôsoby dosiahnutia technológie bezdrôtového prenosu energie a ich klasifikáciu.

Tu,

Prvá a najdôležitejšia klasifikácia je založená na tom, do akej miery je možný prenos sily. V experimentovaných metódach sú niektoré schopné dodávať energiu bezdrôtovo záťažiam na veľkú vzdialenosť, zatiaľ čo iné môžu dodávať energiu iba záťažiam vzdialeným iba pár centimetrov od zdroja. Takže prvé rozdelenie je založené na tom, či ide o metódu blízkeho alebo vzdialeného poľa.
Rozdiel v schopnosti vzdialenosti vychádza z typu javu, ktorý používajú rôzne metódy na dosiahnutie bezdrôtového prenosu energie. Napríklad, ak médium používané metódou na dodávanie energie je elektromagnetická indukcia, potom maximálna vzdialenosť nemôže byť vyššia ako 5 cm. Strata magnetického toku sa totiž exponenciálne zvyšuje so zväčšovaním vzdialenosti medzi zdrojom a záťažou, čo vedie k neprijateľným stratám výkonu. Na druhej strane, ak je médiom používaným pri spôsobe dodávania energie elektromagnetické žiareniepotom môže maximálna vzdialenosť dosiahnuť aj niekoľko metrov. Je to tak preto, lebo EMR je možné sústrediť do ohniska, ktoré je vzdialené niekoľko metrov od zdroja. Tiež metódy, ktoré používajú EMR ako médium na dodanie energie, majú vyššiu účinnosť v porovnaní s ostatnými.
Z mnohých spôsobov spomenutých vyššie sú niektoré populárnejšie ako iné a populárne metódy, ktoré sa bežne používajú, sú uvedené nižšie.

Existujú dva populárne spôsoby bezdrôtového prenosu energie, ktoré využívajú elektromagnetické žiarenie ako médium - mikrovlnný výkon a laserový / svetelný výkon

Mikrovlnný bezdrôtový prenos energie

Ako už samotný názov v tejto metóde prezrádza, na dodanie energie do záťaže použije mikrovlnné spektrum EMR. Najprv bude vysielač odoberať energiu zo zásuvky alebo z iného stabilného zdroja energie a potom reguluje tento striedavý prúd na požadovanú úroveň. Potom bude prenášaný výkon generovať mikrovlny spotrebovaním tohto regulovaného zdroja energie. Mikrovlny cestujú vzduchom bez prerušenia, aby sa dostali k prijímaču alebo zaťaženiu. Prijímač bude vybavený príslušnými zariadeniami na príjem tohto mikrovlnného žiarenia a jeho premenu na elektrickú energiu. Táto prevedená elektrická energia je priamo úmerná množstvu mikrovlnného žiarenia dosiahnutého do prijímača, a teda je dosiahnutý bezdrôtový prenos energie pomocou mikrovlnného žiarenia.

Bezdrôtový prenos energie laserovým svetlom

Každý, kto sa zaoberá elektronikou a elektrickou energiou, by sa mal stretnúť s konceptom nazývaným solárna energia. A ak si dobre pamätáte, koncept výroby slnečnej energie nie je nič iné ako použitie elektromagnetického žiarenia slnka na výrobu elektriny. Tento proces premeny môže byť založený na systémoch solárnych panelov, solárneho vykurovania alebo iných systémov a solárna nabíjačka sa dá ľahko zostaviť pomocou solárnych panelov. Kľúčovým problémom tu však je, že energia prenášaná slnkom na zem je vo forme elektromagnetického žiarenia a je konkrétne vo viditeľnom spektre a prenos energie sa tu vykonáva bezdrôtovo. Preto je koncept výroby solárnej energie sám osebe mega bezdrôtový systém na prenos energie.

Teraz, ak nahradíme slnko menším generátorom EMR (alebo jednoducho svetelným zdrojom), môžeme sústrediť generované žiarenie na záťaž, ktorá je stovky metrov od svetelného zdroja. Akonáhle toto zaostrené svetlo dosiahne solárny panel prijímacieho modulu (alebo záťaž), prevádza svetelnú energiu na elektrickú energiu, čo je pôvodný cieľ nastavenia bezdrôtového prenosu energie.

Doteraz sme diskutovali o technikách alebo metódach, ktoré sú schopné dodávať energiu do záťaže, ktorá je vzdialená niekoľko metrov od zdroja. Aj keď tieto techniky majú schopnosť vzdialenosti, sú objemné a nákladné, takže nie sú vhodné pre dizajn mobilnej nabíjačky. Najpraktickejšie metódy, ktoré možno použiť na návrh bezdrôtových nabíjačiek, sú menovite „ Inductive Coupling Type“ a „ Magnetic Resonant Induction “. Toto sú dve metódy, ktoré využívajú Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie ako princíp a magnetický tok ako množiaci sa jav na dosiahnutie bezdrôtového prenosu energie.

Bezdrôtový prenos energie pomocou indukčného spojenia

Nastavenie použité v indukčnej väzbe je veľmi podobné nastaveniu použitému v elektrickom transformátore. Pre lepšie pochopenie sa pozrime na typický aplikačný obvod metódy bezdrôtového prenosu napájania indukčnou väzbou.

Vo vyššie uvedenom funkčnom diagrame máme dve sekcie, jedna je nastavenie prenosu elektrickej energie a druhá je nastavenie prijímača elektrickej energie.
Obidve časti sú navzájom elektricky izolované a sú oddelené izolátorom o šírke pár centimetrov. Aj keď obe časti nemajú žiadnu elektrickú interakciu, stále je medzi nimi magnetická väzba.
Zdroj striedavého napätia prítomný vo vysielacom module poskytuje energiu pre celý systém.

Fungovanie bezdrôtového prenosu typu indukčného spojenia: Od začiatku je v module vysielača prítomný prúd prúdu vo vodičovej cievke, pretože na koncové svorky cievky je pripojený zdroj striedavého napätia. A kvôli tomuto prúdovému prúdu by sa malo okolo vodičov cievky, ktoré je pevne navinuté okolo feritového jadra, generovať magnetické pole. Kvôli prítomnosti média sa všetok magnetický tok cievky koncentruje na feritovom jadre. Tento tok sa pohybuje pozdĺž osi feritového jadra a vystupuje do voľného priestoru mimo prenosového modulu, ako je to znázornené na obrázku.

Teraz, keď priblížime modul prijímača k vysielaču, potom magnetický tok emitovaný vysielačom preruší cievku prítomnú v module prijímača. Pretože tok generovaný modulom vysielača je premenlivý tok, potom musí byť do vodiča privedeného v jeho rozsahu indukovaný EMF podľa Faradaysovho zákona o elektromagnetickej indukcii. Na základe tejto teórie musí byť EMF indukovaný aj do prijímacej cievky, ktorá zažíva magnetický tok generovaný vysielačom. Toto generované napätie bude usmernené, filtrované a regulované, aby sa získalo správne jednosmerné napätie, ktoré je pre ovládač systému veľmi potrebné.

V niektorých prípadoch je tiež vylúčené feritové jadro, aby bol vysielač a prijímač kompaktnejší a ľahší. Túto aplikáciu môžete vidieť v pároch Bezdrôtová nabíjačka mobilných telefónov a Smartphone. Ako všetci vieme, odvetvia v súčasnosti konkurujú krkom po krk, aby uviedli vysoko výkonné smartfóny a ďalšie zariadenia, ktoré sú ľahšie, tenšie a chladnejšie. Dizajnéri majú doslova nočné mory, aby dosiahli tieto vlastnosti bez toho, aby znížili výkon, takže je objemné zariadenie len kvôli bezdrôtovému prenosu energie neprijateľné. Dizajnéri a inžinieri teda prichádzajú s ďalšími tenšími a ľahšími modulmi, ktoré je možné namontovať do inteligentných telefónov a tabletov.

Tu vidíte vnútornú konštrukciu najnovšej bezdrôtovej nabíjačky.

Smartfón s možnosťou bezdrôtového napájania bude mať tiež podobnú cievku, aby bola možná elektromagnetická indukcia. Na nasledujúcom obrázku môžete vidieť, ako je štíhla cievka pripevnená na spodnom konci smartphonu v blízkosti batérie. Môžete vidieť, ako inžinieri navrhli túto bezdrôtovú nabíjačku tak štíhlu bez kompromisov v jej výkone. Fungovanie tohto nastavenia je podobné ako v prípade diskutovanom vyššie, až na to, že v strede vinutia nemá feritové jadro.

Aj keď sa tento spôsob prenosu energie prostredníctvom elektromagnetickej indukcie zdá ľahký, nie je to porovnateľné s efektívnym spôsobom dodávania energie cez kábel.

Bezdrôtový prenos energie založený na magnetickej rezonancii

Magnetická rezonančná indukcia je forma indukčnej väzby, pri ktorej sa energia prenáša magnetickým poľom medzi dvoma rezonančnými obvodmi (ladenými obvodmi), jedným vo vysielači a druhým v prijímači. Z tohto dôvodu musí byť nastavenie obvodu magnetickej rezonančnej indukcie veľmi podobné obvodu indukčnej väzby, o ktorom sme už hovorili.

Na tomto obrázku môžete vidieť, až na prítomnosť sériových kondenzátorov je celý obvod podobný predchádzajúcemu prípadu.

Fungovanie: Fungovanie tohto modelu je tiež veľmi podobné ako v predchádzajúcom prípade, s výnimkou toho, že obvody vo vysielači a prijímači sú vyladené tak, aby fungovali na rezonančnej frekvencii. Na dosiahnutie tohto rezonančného efektu sú kondenzátory špeciálne zapojené do série s oboma cievkami.

Ako všetci vieme, kondenzátor v sérii s induktorom vytvorí sériový LC obvod, ako je to znázornené na obrázku. A hodnotu frekvencie, na ktorej bude tento obvod pracovať pri rezonancii, môžeme uviesť ako, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Tu L = hodnota induktora a C = hodnota kondenzátora.

Použitím rovnakého vzorca vypočítame hodnotu rezonančnej frekvencie pre obvod vysielača energie a upravíme frekvenciu zdroja striedavého prúdu na túto vypočítanú hodnotu.

Po nastavení zdrojovej frekvencie bude obvod vysielača spolu s obvodom prijímača pracovať na rezonančnej frekvencii. Potom musí byť v obvode prijímača indukovaný EMF podľa Faradayovho zákona indukcie, ako sme diskutovali v predchádzajúcom prípade. A tento indukovaný EMF bude usmernený, filtrovaný a regulovaný, aby sa získalo správne jednosmerné napätie, ako je znázornené na obrázku.

Doteraz sme diskutovali o rôznych technikách, ktoré možno použiť na bezdrôtový prenos energie, spolu s ich typickými aplikačnými obvodmi. A tieto metódy používame na vývoj obvodov pre všetky bezdrôtové systémy na prenos energie, ako je bezdrôtová nabíjačka, bezdrôtový systém nabíjania elektrických vozidiel, bezdrôtový prenos energie pre drony, lietadlá atď.

Normy bezdrôtového prenosu energie

Teraz, keď každá spoločnosť vyvíja svoje vlastné výrobné a nabíjacie stanice, existuje potreba všetkých štandardov medzi všetkými vývojármi, aby si spotrebiteľ mohol vybrať to najlepšie z oceánu možností. Všetky odvetvia, ktoré pracujú na vývoji bezdrôtových systémov na prenos energie, teda dodržiavajú niekoľko štandardov.

Rôzne štandardy používané na vývoj bezdrôtových zariadení na prenos energie, napríklad bezdrôtovej nabíjačky:

Normy „Qi“ - združenie Wireless Power Consortium:

Technológia - indukčná, rezonančná - nízka frekvencia
Nízky výkon - 5 W, stredný výkon - 15 W, Qi Akumulátorové kuchynské spotrebiče od 100 W do 2,4 kW
Frekvenčný rozsah - 110 - 205 kHz
Produkty - viac ako 500 produktov, ktoré používajú viac ako 60 spoločností poskytujúcich mobilné telefóny

Normy „PMA“ - združenie Power Matter Alliance:

Technológia - indukčná, rezonančná - vysoká frekvencia
Maximálny výkon od 3,5 W do 50 W.
Frekvenčný rozsah - 277 - 357 kHz
Produkty - globálne sú distribuované iba 2, ale 1 000 000 jednotiek výkonových rohoží

Výhody bezdrôtovej nabíjačky

Bezdrôtová nabíjačka je veľmi užitočná na nabíjanie domácich zariadení, ako sú smartphone, notebook, iPod, notebook, slúchadlá atď.
Poskytuje pohodlný, bezpečný a efektívny spôsob prenosu energie bez použitia média.
Šetrné k životnému prostrediu - nepoškodzuje ani nepoškodzuje človeka ani živú bytosť.
Môže sa použiť na nabíjanie lekárskych implantátov, čo vedie k zlepšeniu kvality života a zníženiu rizika infekcie.
Nie je potrebné sa obávať opotrebenia napájacieho konektora.
S hľadaním na orientáciu napájacieho kábla je koniec pomocou bezdrôtových nabíjačiek.

Nevýhody bezdrôtovej nabíjačky

Menej účinnosti a väčšie straty energie.
Stojí viac ako káblová nabíjačka.
Oprava poruchy je zložitá.
Nie je vhodný pre vysoký výkon.
Straty energie sa zvyšujú so zaťažením.