Různé typy bezdrátových technologií přenosu energie a jejich fungování

Každý elektronický systém nebo zařízení potřebuje k provozu elektrickou energii, ať už z napájecího zdroje nebo z baterie. Tuto elektrickou energii nelze nekonečně skladovat v žádných dobíjecích zařízeních, jako jsou baterie, kondenzátory nebo superkondenzátory. Jakákoli přenosná zařízení, jako jsou notebooky nebo mobilní telefony, je proto nutné pravidelně připojovat k elektrickým sítím, aby se baterie pravidelně dobíjely.

K připojení těchto dobíjecích zařízení, jako jsou smartphony, tablety, sluchátka, reproduktory Bluetooth atd., K adaptérům AC-DC se obvykle používají elektrické kabely. Použití kabelů elektronických vodičů k přenosu energie nebo dat mezi dvěma systémy je nejzákladnějším a nejoblíbenějším způsobem od objevu samotné elektřiny. A lidé jsou dosud šťastní, když používají elektrické kabely, ale s pokrokem v oblasti technologií vede lidská bezpečnost a hlad lidstva k dokonalosti v kráse k konceptům bezdrátového přenosu energie (WPT) nebo bezdrátového přenosu energie (WET) do obrazu, který je dlouho ztracen v historii. V některých našich předchozích článcích jsme podrobně vysvětlili bezdrátový přenos energie a také jsme vytvořili obvod pro bezdrátový přenos energie, aby svítil LED.

První značnou experimentální aplikaci pro bezdrátový přenos energie (WPT) provedl na počátku 90. let 20. století vynálezce Nikola Tesla. Během experimentů se elektrická energie přenáší indukční a kapacitní vazbou pomocí vysokofrekvenčních rezonančních transformátorů buzených jiskrou, nyní nazývaných Teslovy cívky. Ačkoli jsou tyto experimenty částečně úspěšné, nejsou efektivní a vyžadují vysoké investice. Později jsou tedy tyto experimenty sešrotovány a technologická studie po mnoho let stagnovala. Postavili jsme také mini Tesla cívku, abychom předvedli koncept Tesla cívek.

Ačkoli ani nyní neexistuje žádný efektivní způsob, jak bezdrátově dodávat vysoký výkon, je možné navrhnout obvod se současným technologickým pokrokem pro efektivní přenos malého výkonu mezi dvěma systémy. A bezdrátové nabíječky jsou navrženy na základě tohoto nově vyvinutého obvodu, který umožňuje bezdrátově dodávat energii smartphonům a dalším malým elektronickým zařízením.

Různé technologie bezdrátového nabíjení používané v bezdrátové nabíječce

Od té doby, co se koncept bezdrátového přenosu energie stal populárním, přišli vědci i inženýři s různými způsoby, jak tento koncept realizovat. Ačkoli většina z těchto experimentů vedla k selhání nebo nepraktickým výsledkům, jen málo z těchto experimentů přineslo uspokojivé výsledky. Tyto testované a pracovní způsoby dosažení bezdrátového přenosu energie mají své vlastní výhody, nevýhody a funkce. Z těchto různých metod se při navrhování bezdrátových nabíječek používá jen pár. Zatímco jiné metody mají svou vlastní oblast použití a výhody.

Nyní pro lepší pochopení jsou tyto metody klasifikovány na základě vzdálenosti přenosu, maximálního výkonu a metody použité k dosažení přenosu síly. Na následujícím obrázku vidíme různé způsoby, jak dosáhnout technologie bezdrátového přenosu energie a jejich klasifikace.

Tady,

První a nejdůležitější klasifikace je založena na tom, jak daleko je možný přenos síly. V experimentovaných metodách jsou některé schopné dodávat energii bezdrátově zátěžím na velkou vzdálenost, zatímco jiné mohou dodávat energii pouze zátěžím jen několik centimetrů od zdroje. První dělení je tedy založeno na tom, zda jde o metodu blízkého pole nebo vzdáleného pole.
Rozdíl ve schopnosti vzdálenosti vychází z typu jevu používaného různými metodami k dosažení bezdrátového přenosu energie. Pokud je například médiem používaným k dodávání energie elektromagnetická indukce, pak maximální vzdálenost nesmí být vyšší než 5 cm. Je to proto, že ztráta magnetického toku se exponenciálně zvyšuje se zvětšením vzdálenosti mezi zdrojem a zátěží, což vede k nepřijatelným ztrátám energie. Na druhou stranu, pokud médiem používaným pro dodávání energie je elektromagnetické zářenípak může maximální vzdálenost dosáhnout až několika metrů. Je to proto, že EMR lze soustředit do ohniska, které je v metrech od zdroje. Také metody, které používají EMR jako médium k dodávání energie, mají vyšší účinnost ve srovnání s ostatními.
Z mnoha výše zmíněných způsobů jsou některé populárnější než jiné a níže popsané populární metody jsou široce diskutovány.

Existují dvě populární metody bezdrátového přenosu energie, které používají elektromagnetické záření jako médium - mikrovlnný výkon a laserový / světelný výkon

Mikrovlnný bezdrátový přenos energie

Jak sám název v této metodě prozrazuje, použije k dodávání energie do zátěže mikrovlnné spektrum EMR. Nejprve bude vysílač odebírat energii ze zásuvky nebo jiného stabilního zdroje energie a poté regulovat tento střídavý proud na požadovanou úroveň. Poté bude přenášený výkon generovat mikrovlny spotřebováním tohoto regulovaného zdroje energie. Mikrovlny cestují vzduchem bez jakéhokoli přerušení, aby dosáhly přijímače nebo zátěže. Přijímač bude vybaven příslušnými zařízeními pro příjem tohoto mikrovlnného záření a jeho přeměnu na elektrickou energii. Tato převedená elektrická energie je přímo úměrná množství mikrovlnného záření dosaženého do přijímače, a proto je dosaženo bezdrátového přenosu energie pomocí mikrovlnného záření.

Bezdrátový přenos energie laserovým světlem

Každý, kdo se zabývá elektronikou a elektrickou energií, by se měl setkat s konceptem zvaným solární energie. A pokud si dobře pamatujete, koncept solární energie není nic jiného než použití elektromagnetického záření slunce k výrobě elektřiny. Tento proces přeměny může být založen na systémech solárních panelů, solárního ohřevu nebo jiných a solární nabíječka může být snadno sestavena pomocí solárních panelů. Klíčovým problémem zde však je energie přenášená sluncem na Zemi ve formě elektromagnetického záření a je konkrétně ve viditelném spektru a přenos energie zde probíhá bezdrátově. Koncept solární energie je tedy sám o sobě mega bezdrátovým přenosovým systémem.

Nyní, pokud nahradíme slunce menším generátorem EMR (nebo jednoduše zdrojem světla), můžeme zaměřit generované záření na zátěž, která je stovky metrů od zdroje světla. Jakmile toto zaostřené světlo dosáhne solárního panelu přijímacího modulu (nebo zátěže), převádí světelnou energii na elektrickou energii, což je původní cíl nastavení bezdrátového přenosu energie.

Až dosud jsme diskutovali o technikách nebo metodách, které jsou schopné dodávat energii do zátěže, která je pár metrů od zdroje. Ačkoli tyto techniky mají schopnost vzdálenosti, jsou objemné a nákladné, takže nejsou vhodné pro design mobilní nabíječky. Nejpraktičtějšími metodami, které lze použít pro návrh bezdrátových nabíječek, jsou jmenovitě „ Inductive Coupling Type“ a „ Magnetic Resonant Induction “. Jedná se o dvě metody, které používají Faradayův zákon elektromagnetické indukce jako princip a magnetický tok jako propagační jev k dosažení bezdrátového přenosu energie.

Bezdrátový přenos energie pomocí indukčního propojení

Nastavení použité v indukční vazbě je velmi podobné nastavení použitému u elektrického transformátoru. Pro lepší pochopení se podívejme na typický aplikační obvod metody Inductive Coupling Wireless Power Transfer.

Ve výše uvedeném funkčním diagramu máme dvě části, jedna je nastavení přenosu elektrické energie a druhá je nastavení přijímače elektrické energie.
Obě sekce jsou navzájem elektricky izolovány a jsou odděleny izolátorem o šířce několika centimetrů. Ačkoli obě sekce nemají žádnou elektrickou interakci, stále je mezi nimi magnetická vazba.
Zdroj střídavého napětí přítomný ve vysílacím modulu zajišťuje napájení celého systému.

Práce s bezdrátovým přenosem typu indukčního propojení : Od začátku je v modulu vysílače přítomen proud proudu ve vodičové cívce, protože ke koncovým svorkám cívky je připojen zdroj střídavého napětí. A kvůli tomuto proudu proudu by mělo být generováno magnetické pole kolem vodičů cívky, které jsou pevně navinuty kolem feritového jádra. Vzhledem k přítomnosti média se veškerý magnetický tok cívky koncentruje na feritové jádro. Tento tok se pohybuje podél osy feritového jádra a vystupuje do volného prostoru mimo přenosový modul, jak je znázorněno na obrázku.

Nyní, když přivedeme přijímací modul do blízkosti vysílače, pak magnetický tok vysílaný vysílačem rozřízne cívku přítomnou v přijímacím modulu. Vzhledem k tomu, že tok generovaný modulem vysílače mění tok, musí být indukován EMF do vodiče přivedeného v jeho rozsahu podle Faradaysova zákona elektromagnetické indukce. Na základě této teorie musí být EMF také indukován do přijímací cívky, která zažívá magnetický tok generovaný vysílačem. Toto generované napětí bude usměrněno, filtrováno a regulováno, aby se získalo správné stejnosměrné napětí, které je pro řídicí systém systému velmi potřebné.

V některých případech je také vyloučeno feritové jádro, aby byl vysílač a přijímač kompaktnější a lehčí. Tuto aplikaci můžete vidět v páru Bezdrátová nabíječka mobilního telefonu a Smartphone. Jak všichni víme, průmyslová odvětví v současné době soutěží krk na krk a vydávají vysoce výkonné smartphony a další zařízení, která jsou lehčí, štíhlejší a chladnější. Konstruktéři mají doslova noční můry, aby dosáhli těchto funkcí, aniž by došlo ke snížení výkonu, takže je objemné zařízení kvůli bezdrátovému přenosu energie nepřijatelné. Návrháři a inženýři tedy přicházejí s tenčími a lehčími moduly, které lze nasadit do chytrých telefonů a tabletů.

Zde vidíte vnitřní konstrukci nejnovější bezdrátové nabíječky.

Smartphone s možností bezdrátového napájení bude mít také podobnou cívku, která umožní elektromagnetickou indukci. Na následujícím obrázku můžete vidět, jak je štíhlá cívka připevněna na spodním konci smartphonu poblíž baterie. Můžete vidět, jak inženýři navrhli tuto bezdrátovou nabíječku tak štíhlou, aniž by došlo ke snížení jejího výkonu. Fungování tohoto nastavení je podobné případu diskutovanému výše, kromě toho, že nemá žádné feritové jádro ve středu vinutí.

Tento způsob přenosu energie prostřednictvím elektromagnetické indukce se sice zdá být snadný, ale není srovnatelný s účinným způsobem dodávání energie kabelem.

Bezdrátový přenos energie na základě magnetické rezonanční indukce

Magnetická rezonanční indukce je forma indukční vazby, při které je energie přenášena magnetickými poli mezi dvěma rezonančními obvody (laděnými obvody), jedním ve vysílači a druhým v přijímači. Z tohoto důvodu musí být nastavení obvodu magnetické rezonanční indukce velmi podobné obvodu indukční vazby, který jsme diskutovali dříve.

Na tomto obrázku můžete vidět, kromě přítomnosti sériových kondenzátorů je celý obvod podobný předchozímu případu.

Práce: Práce tohoto modelu je také velmi podobná předchozímu případu, s výjimkou toho, že obvody přítomné ve vysílači a přijímači jsou naladěny tak, aby fungovaly na rezonanční frekvenci. K dosažení tohoto rezonančního efektu jsou kondenzátory speciálně zapojeny do série s oběma cívkami.

Jak všichni víme, kondenzátor v sérii s induktorem vytvoří sériový LC obvod, jak je znázorněno na obrázku. A hodnotu frekvence, na které bude tento obvod pracovat při rezonanci, lze dát jako, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Zde L = hodnota induktoru a C = hodnota kondenzátoru.

Pomocí stejného vzorce vypočítáme hodnotu rezonanční frekvence pro obvod vysílače výkonu a upravíme frekvenci zdroje střídavého proudu na tuto vypočítanou hodnotu.

Jakmile je zdrojová frekvence upravena, bude obvod vysílače spolu s obvodem přijímače pracovat na rezonanční frekvenci. Poté musí být indukován EMF v obvodu přijímače podle Faradaysova zákona indukce, jak jsme diskutovali v předchozím případě. A tento indukovaný EMF bude usměrněn, filtrován a regulován, aby se získalo správné stejnosměrné napětí, jak je znázorněno na obrázku.

Až dosud jsme diskutovali o různých technikách, které lze použít pro bezdrátový přenos energie, spolu s jejich typickými aplikačními obvody. A používáme tyto metody k vývoji obvodů pro všechny bezdrátové systémy přenosu energie, jako je bezdrátová nabíječka, bezdrátový systém nabíjení elektrických vozidel, bezdrátový přenos energie pro drony, letadla atd.

Standardy bezdrátového přenosu energie

Nyní, když každá společnost vyvíjí vlastní produkční a dobíjecí stanice, existuje potřeba společných standardů mezi všemi vývojáři, aby si spotřebitel mohl vybrat to nejlepší z oceánu možností. Všechna průmyslová odvětví, která pracují na vývoji bezdrátových systémů pro přenos energie, dodržují několik standardů.

Různé standardy používané k vývoji bezdrátových zařízení pro přenos energie, jako je bezdrátová nabíječka:

Standardy 'Qi' - od Wireless Power Consortium:

Technologie - indukční, rezonanční - nízkofrekvenční
Nízký výkon - 5 W, střední výkon - 15 W, Qi Akumulátorové kuchyňské spotřebiče od 100 W do 2,4 kW
Frekvenční rozsah - 110 - 205 kHz
Produkty - více než 500 produktů používaných ve více než 60 společnostech poskytujících mobilní telefony

Standardy „PMA“ - by Power Matter Alliance:

Technologie - indukční, rezonanční - vysoká frekvence
Maximální výkon od 3,5 W do 50 W.
Frekvenční rozsah - 277 - 357 kHz
Produkty - globálně jsou distribuovány pouze 2, ale 1 000 000 jednotek výkonových rohoží

Výhody bezdrátové nabíječky

Bezdrátová nabíječka je velmi užitečná pro nabíjení domácích zařízení, jako je smartphone, notebook, iPod, notebook, sluchátka atd.
Poskytuje pohodlný, bezpečný a efektivní způsob přenosu energie bez jakéhokoli média.
Šetrné k životnímu prostředí - nepoškozuje ani nezraní člověka ani žádnou živou bytost.
Lze jej použít k nabíjení lékařských implantátů, což vede ke zlepšení kvality života a snížení rizika infekce.
Není třeba se obávat opotřebení napájecího konektoru.
Hledání bezdrátových nabíjecích kabelů skončilo.

Nevýhody bezdrátové nabíječky

Méně účinnosti a větší ztráty energie.
Stojí více než kabelová nabíječka.
Oprava poruchy je obtížná.
Není vhodné pro vysoký výkon.
Energetické ztráty se zvyšují se zátěží.