Diversi tipi di tecnologie di trasferimento di potenza wireless e loro funzionamento

Ogni sistema o dispositivo elettronico ha bisogno di energia elettrica per funzionare, sia che provenga dall'alimentazione CA a muro o da una batteria. Questa energia elettrica non può essere immagazzinata all'infinito in alcun dispositivo ricaricabile come batterie, condensatori o supercondensatori. Quindi tutti i dispositivi portatili come laptop o telefoni cellulari devono essere collegati a linee di alimentazione CA per ricaricare regolarmente le batterie.

In genere vengono utilizzati cavi elettrici per collegare questi dispositivi ricaricabili come smartphone, tablet, auricolari, altoparlanti Bluetooth, ecc. Agli adattatori AC-DC. L'utilizzo di cavi conduttori elettronici per trasferire alimentazione o dati tra due sistemi è il modo più semplice e popolare sin dalla scoperta dell'elettricità stessa. E le persone sono felici di usare i cavi elettrici fino ad ora, ma con il progresso della tecnologia, la sicurezza umana e la fame dell'umanità per la perfezione nella bellezza portano ai concetti di trasferimento di potenza wireless (WPT) o trasmissione di energia wireless (WET) in un'immagine che è andata perduta nella storia. In alcuni dei nostri articoli precedenti, abbiamo spiegato in dettaglio la trasmissione di potenza wireless e abbiamo anche costruito un circuito per trasferire senza fili l'alimentazione per illuminare un LED.

La prima considerevole applicazione sperimentale per il trasferimento di potenza wireless (WPT) fu realizzata all'inizio degli anni 1890 dall'inventore Nikola Tesla. Durante gli esperimenti, l'energia elettrica viene trasmessa mediante accoppiamento induttivo e capacitivo utilizzando trasformatori risonanti a radiofrequenza eccitati da scintilla, ora chiamati bobine di Tesla. Sebbene questi esperimenti abbiano parzialmente successo, non sono efficienti e richiedono investimenti elevati. Quindi, in seguito, questi esperimenti vengono scartati e lo studio tecnologico è rimasto fermo per molti anni. Abbiamo anche costruito una mini bobina di Tesla per dimostrare il concetto di bobine di Tesla.

Sebbene anche ora non esista un modo efficace per fornire alta potenza in modalità wireless, è possibile progettare un circuito con i progressi tecnologici attuali per trasferire efficacemente bassa potenza tra due sistemi. E i caricabatterie wireless sono progettati sulla base di questo circuito di nuova concezione che gli consente di fornire alimentazione a smartphone e altri piccoli dispositivi elettronici in modalità wireless.

Varie tecnologie di ricarica wireless utilizzate nel caricabatterie wireless

Da quando il concetto di trasferimento di potenza wireless è diventato popolare, sia gli scienziati che gli ingegneri hanno escogitato vari modi per realizzare questo concetto. Sebbene la maggior parte di questi esperimenti abbia portato a fallimenti o risultati non pratici, pochi di questi esperimenti hanno prodotto risultati soddisfacenti. Questi metodi testati e funzionanti per ottenere il trasferimento di potenza wireless hanno i loro vantaggi, svantaggi e caratteristiche. Tra questi vari metodi, solo un paio vengono utilizzati nella progettazione di caricabatterie wireless. Mentre altri metodi hanno la propria area di applicazione e vantaggi.

Ora per una migliore comprensione, questi metodi sono classificati in base alla distanza di trasmissione, alla potenza massima e al metodo utilizzato per ottenere la trasmissione di potenza. Nella figura seguente possiamo vedere vari modi utilizzati per ottenere la tecnologia di trasferimento di potenza wireless e la loro classificazione.

Qui,

La prima e più importante classificazione si basa su quanto è possibile il trasferimento di potenza. Nei metodi sperimentati, alcuni sono in grado di fornire energia in modalità wireless a carichi a grande distanza, mentre altri potrebbero fornire energia solo a carichi a pochi centimetri dalla sorgente. Quindi la prima divisione si basa sul fatto che il metodo sia Near Field o Far Field.
La differenza nella capacità di distanza si basa sul tipo di fenomeno utilizzato da vari metodi per ottenere il trasferimento di potenza wireless. Ad esempio, se il mezzo utilizzato dal metodo per fornire potenza è l'induzione elettromagnetica, la distanza massima non può essere superiore a 5 cm. Questo perché la perdita di flusso magnetico aumenta in modo esponenziale con un aumento della distanza tra sorgente e carico che porta a perdite di potenza inaccettabili. D'altra parte, se il mezzo utilizzato dal metodo per fornire energia è la radiazione elettromagneticaallora la distanza massima può arrivare fino a pochi metri. Questo perché l'EMR può essere concentrato in un punto focale che si trova a pochi metri dalla sorgente. Inoltre, i metodi che utilizzano l'EMR come mezzo per fornire potenza hanno un'efficienza maggiore rispetto ad altri.
Nei molti modi sopra menzionati, alcuni sono più popolari di altri ei metodi popolari utilizzati ampiamente sono discussi di seguito.

Esistono due metodi popolari per la trasmissione di potenza wireless che utilizzano la radiazione elettromagnetica come potenza media a microonde e potenza laser / luce

Trasferimento di potenza wireless a microonde

Poiché il nome stesso lo rivela in questo metodo, utilizzerà lo spettro a microonde di EMR per fornire potenza al carico. Innanzitutto, il trasmettitore assorbirà energia da una presa o da qualsiasi altra fonte di alimentazione stabile e quindi regolerà questa potenza CA al livello richiesto. Dopodiché, la potenza trasmessa genererà microonde consumando questo alimentatore regolato. Le microonde viaggiano nell'aria senza alcuna interruzione per raggiungere il ricevitore o il carico. Il Ricevitore sarà dotato di dispositivi appropriati per ricevere questa radiazione a microonde e convertirla in energia elettrica. Questa potenza elettrica convertita è direttamente proporzionale alla quantità di radiazione a microonde raggiunta al ricevitore e quindi si ottiene il trasferimento di potenza wireless utilizzando la radiazione a microonde.

Trasferimento di potenza wireless con luce laser

Chiunque si occupi di elettronica ed energia elettrica avrebbe dovuto imbattersi in un concetto chiamato generazione di energia solare. E se ricordi correttamente il concetto di generazione di energia solare non è altro che usare la radiazione elettromagnetica del sole per generare elettricità. Questo processo di conversione può essere basato su sistemi di pannelli solari, riscaldamento solare o qualsiasi altro e un caricatore di energia solare può essere facilmente costruito utilizzando pannelli solari. Ma la questione chiave qui è che l'energia trasferita dal sole alla terra è sotto forma di radiazione elettromagnetica ed è specificamente nello spettro visibile e il trasferimento di energia qui avviene in modalità wireless. Quindi il concetto di generazione di energia solare è esso stesso un mega sistema di trasmissione di energia wireless.

Ora, se sostituiamo il sole con un generatore EMR più piccolo (o semplicemente una fonte di luce), possiamo concentrare la radiazione generata su un carico che si trova a centinaia di metri di distanza dalla fonte di luce. Una volta che questa luce focalizzata raggiunge il pannello solare del modulo ricevitore (o carico), converte l'energia luminosa in energia elettrica che è l'obiettivo originale della configurazione della trasmissione di potenza wireless.

Finora abbiamo discusso di tecniche o metodi in grado di fornire potenza a carichi che si trovano a pochi metri dalla sorgente. Sebbene queste tecniche abbiano capacità di distanza, sono ingombranti e costose, quindi non sono adatte per il design del caricatore mobile. I metodi più pratici che possono essere utilizzati per la progettazione di caricabatterie wireless sono in particolare " Tipo di accoppiamento induttivo" e " Induzione a risonanza magnetica ". Questi sono i due metodi che utilizzano la legge di Faradays dell'induzione elettromagnetica come principio e il flusso magnetico come fenomeno di propagazione per ottenere la trasmissione di potenza wireless.

Trasmissione di potenza wireless tramite accoppiamento induttivo

La configurazione utilizzata nell'accoppiamento induttivo è molto simile a quella utilizzata per il trasformatore elettrico. Per una migliore comprensione, esaminiamo il tipico circuito di applicazione del metodo di trasferimento di potenza wireless con accoppiamento induttivo.

Nel diagramma funzionale sopra, abbiamo due sezioni una è una configurazione di trasmissione di energia elettrica e l'altra è la configurazione del ricevitore di energia elettrica.
Entrambe le sezioni sono elettricamente isolate tra loro e sono separate da un isolante di un paio di centimetri di larghezza. Sebbene entrambe le sezioni non abbiano alcuna interazione elettrica, esiste ancora un accoppiamento magnetico tra di loro.
La sorgente di tensione CA presente nel modulo trasmettitore fornisce alimentazione all'intero sistema.

Funzionamento del tipo di accoppiamento induttivo Trasmissione wireless: dall'inizio, un flusso di corrente nella bobina del conduttore è presente nel modulo trasmettitore perché una sorgente di tensione CA è collegata ai terminali della bobina. E a causa di questo flusso di corrente, dovrebbe essere generato un campo magnetico attorno ai conduttori della bobina che è strettamente avvolta attorno a un nucleo di ferrite. A causa della presenza di un mezzo, tutto il flusso magnetico della bobina si concentra sul nucleo di ferrite. Questo flusso si muove lungo l'asse del nucleo di ferrite e viene espulso nello spazio libero al di fuori del modulo di trasmissione come mostrato in figura.

Ora, se avviciniamo il modulo ricevitore al trasmettitore, il flusso magnetico emesso dal trasmettitore taglierà la bobina presente nel modulo ricevitore. Poiché il flusso generato dal modulo trasmettitore è un flusso variabile, è necessario indurre un EMF nel conduttore portato nel suo intervallo secondo la legge di Faradays di induzione elettromagnetica. In base a questa teoria, è necessario indurre anche un EMF nella bobina del ricevitore che sta subendo il flusso magnetico generato dal trasmettitore. Questa tensione generata verrà rettificata, filtrata e regolata per ottenere una tensione CC adeguata che è molto necessaria per il controller di sistema.

In alcuni casi, viene eliminato anche il nucleo di ferrite per rendere il trasmettitore e il ricevitore più compatti e leggeri. Puoi vedere questa applicazione nel caricatore del telefono cellulare wireless e nella coppia di smartphone. Come tutti sappiamo, le industrie attualmente competono testa a testa per rilasciare smartphone ad alte prestazioni e altri dispositivi più leggeri, più sottili e più freddi. I progettisti hanno letteralmente incubi per ottenere queste funzionalità senza compromettere le prestazioni, quindi rendere il dispositivo ingombrante solo per il bene della trasmissione di potenza wireless è inaccettabile. Quindi i progettisti e l'ingegneria stanno inventando moduli più sottili e leggeri che possono essere inseriti in smartphone e tablet.

Qui puoi vedere la costruzione interna dell'ultimo caricabatterie wireless.

Lo Smartphone con la capacità di alimentazione wireless avrà anche una bobina simile per rendere possibile l'induzione elettromagnetica. Puoi vedere nella figura sotto, come la bobina sottile è attaccata all'estremità inferiore dello smartphone vicino alla batteria. Puoi vedere come gli ingegneri hanno progettato questo caricabatterie wireless così sottile senza comprometterne le prestazioni. Il funzionamento di questa configurazione è simile al caso discusso sopra, tranne per il fatto che non ha alcun nucleo di ferrite al centro dell'avvolgimento.

Sebbene questo modo di trasmettere potenza attraverso l'induzione elettromagnetica sembri facile, ma non è paragonabile a un metodo efficiente per fornire energia attraverso il cavo.

Trasferimento di potenza wireless basato su induzione a risonanza magnetica

L'induzione risonante magnetica è una forma di accoppiamento induttivo in cui la potenza viene trasferita da campi magnetici tra due circuiti risonanti (circuiti sintonizzati), uno nel trasmettitore e uno nel ricevitore. Per questo motivo, la configurazione del circuito di induzione a risonanza magnetica deve essere molto simile al circuito di accoppiamento induttivo di cui abbiamo discusso in precedenza.

In questa figura si può vedere ad eccezione della presenza di condensatori in serie l'intero circuito è simile al caso precedente.

Funzionante: Anche il funzionamento di questo modello è molto simile al caso precedente tranne che qui i circuiti presenti nel trasmettitore e nel ricevitore sono sintonizzati per funzionare alla frequenza di risonanza. I condensatori sono appositamente collegati in serie con entrambe le bobine per ottenere questo effetto risonante.

Come tutti sappiamo un condensatore in serie con un induttore formerà un circuito LC in serie come mostrato in figura. E il valore della frequenza alla quale questo circuito funzionerà alla risonanza può essere dato come, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Qui L = valore dell'induttore e C = valore del condensatore.

Utilizzando la stessa formula calcoleremo il valore della frequenza di risonanza per il circuito del trasmettitore di potenza e regoleremo la frequenza della fonte di alimentazione CA a quel valore calcolato.

Una volta regolata la frequenza della sorgente, il circuito del trasmettitore e il circuito del ricevitore funzioneranno alla frequenza di risonanza. Dopodiché, deve essere indotto un EMF nel circuito del ricevitore secondo la legge di induzione di Faradays, come abbiamo discusso nel caso precedente. E questo EMF indotto verrà rettificato, filtrato e regolato per ottenere una tensione CC adeguata, come mostrato nella figura.

Fino ad ora, abbiamo discusso varie tecniche che possono essere utilizzate per la trasmissione di potenza wireless insieme ai loro circuiti di applicazione tipici. E usiamo questi metodi per sviluppare circuiti per tutti i sistemi di trasmissione di potenza wireless come caricabatterie wireless, sistema di ricarica wireless per veicoli elettrici, trasferimento di potenza wireless per droni, aerei, ecc.

Standard di trasferimento di potenza wireless

Ora, con ogni azienda che sviluppa le proprie produzioni e stazioni di ricarica, sono necessari standard comuni tra tutti gli sviluppatori al fine di far scegliere al consumatore il meglio tra l'oceano delle scelte. Quindi un paio di standard sono seguiti da tutte le industrie che stanno lavorando allo sviluppo di sistemi di trasmissione di potenza wireless.

Vari standard utilizzati per lo sviluppo di dispositivi di trasferimento di potenza wireless come caricabatterie wireless:

Standard 'Qi' - di Wireless Power Consortium:

Tecnologia: induttiva, risonante, a bassa frequenza
Bassa potenza - 5 W, potenza media - 15 W, elettrodomestici da cucina senza fili Qi da 100 W a 2,4 kW
Gamma di frequenza: 110-205 kHz
Prodotti - 500+ prodotti e utilizzati in più di 60 compagnie di telefonia cellulare

Standard 'PMA' - di Power Matter Alliance:

Tecnologia - induttiva, risonante - alta frequenza
Potenza massima in uscita da 3,5 W a 50 W.
Gamma di frequenza: 277-357 kHz
Prodotti - solo 2 ma 1,00.000 unità di tappetini elettrici sono distribuite a livello globale

Vantaggi del caricabatterie wireless

Il caricabatterie wireless è molto utile per caricare dispositivi domestici come smartphone, laptop, iPod, notebook, auricolari, ecc.
Fornisce un modo comodo, sicuro ed efficace per trasferire potenza senza alcun mezzo.
Rispettoso dell'ambiente - Non danneggia o ferisce un essere umano o vivente.
Può essere utilizzato per caricare impianti medici che si traduce in un miglioramento della qualità della vita e riduce il rischio di infezione.
Non c'è bisogno della solita preoccupazione per l'usura del jack di alimentazione.
Armeggiare sull'orientamento del cavo di alimentazione è finito con l'uso di caricabatterie wireless.

Svantaggi del caricabatterie wireless

Meno efficienza e maggiore perdita di potenza.
Costa di più del cavo di ricarica.
Riparare in caso di guasto è difficile.
Non adatto per erogazione di potenza elevata.
Le perdite di energia aumentano con il carico.