Različne vrste tehnologij brezžičnega prenosa moči in njihovo delovanje

Vsak elektronski sistem ali naprava potrebuje električno energijo za delovanje, ne glede na to, ali gre za stenski napajalnik ali baterijo. Te električne energije ni mogoče neskončno hraniti v nobeni polnilni napravi, kot so baterije, kondenzatorji ali superkondenzatorji. Vse prenosne naprave, kot so prenosniki ali mobilni telefoni, so potrebne za redno polnjenje baterij.

Običajno se električni kabli uporabljajo za priključitev teh polnilnih naprav, kot so pametni telefoni, tablični računalniki, slušalke, zvočniki Bluetooth itd., Na adapterje AC-DC. Uporaba elektronskih vodniških kablov za prenos moči ali podatkov med dvema sistemoma je najosnovnejši in najbolj priljubljen način od samega odkritja električne energije. In ljudje so do zdaj zadovoljni z uporabo električnih kablov, toda z napredkom tehnologije človeška varnost in lakota človeštva po popolni lepoti vodijo do konceptov brezžičnega prenosa moči (WPT) ali brezžičnega prenosa energije (WET), ki je že dolgo izgubljen. v zgodovini. V nekaterih naših prejšnjih člankih smo podrobno razložili brezžični prenos moči in zgradili tudi vezje za brezžični prenos moči, da sveti LED.

Prvo veliko eksperimentalno aplikacijo za brezžični prenos moči (WPT) je v zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja naredil izumitelj Nikola Tesla. Med poskusi se električna moč prenaša z induktivno in kapacitivno sklopko z uporabo vzbujajočih radijskofrekvenčnih resonančnih transformatorjev, ki se danes imenujejo Teslove tuljave. Čeprav so ti poskusi delno uspešni, niso učinkoviti in zahtevajo velika vlaganja. Kasneje so ti poskusi ukinjeni in tehnološka študija je bila dolga leta stagnirana. Za predstavitev koncepta Teslinih tuljav smo zgradili tudi mini tesla tuljavo.

Čeprav niti zdaj ni učinkovitega načina brezžičnega dovajanja velike moči, je mogoče s trenutnim tehnološkim napredkom oblikovati vezje za učinkovit prenos nizke moči med dvema sistemoma. Brezžični polnilniki so zasnovani na podlagi tega novo razvitega vezja, ki mu omogoča brezžično napajanje pametnih telefonov in drugih majhnih elektronskih naprav.

Različna tehnologija brezžičnega polnjenja, ki se uporablja v brezžičnem polnilniku

Odkar je koncept brezžičnega prenosa moči postal priljubljen, so znanstveniki in inženirji pripravili različne načine za uresničitev tega koncepta. Čeprav je večina teh poskusov povzročila neuspehe ali nepraktične rezultate, je le malo teh poskusov dalo zadovoljive rezultate. Ti preizkušeni in delujoči načini za doseganje brezžičnega prenosa moči imajo svoje prednosti, slabosti in lastnosti. Med temi različnimi metodami se pri načrtovanju brezžičnih polnilnikov uporablja le nekaj. Whiles druge metode imajo svoje področje uporabe in prednosti.

Zdaj so za boljše razumevanje te metode razvrščene na podlagi razdalje prenosa, največje moči in metode, ki se uporablja za doseganje prenosa moči. Na spodnji sliki lahko vidimo različne načine za doseganje tehnologije brezžičnega prenosa moči in njihovo razvrstitev.

Tukaj,

• Prva in najpomembnejša klasifikacija temelji na tem, kako daleč je prenos moči mogoč. Pri preizkušenih metodah lahko nekateri oddajajo moč brez obremenitve tovorom na veliki razdalji, medtem ko lahko drugi napajajo le obremenitve, oddaljene nekaj centimetrov od vira. Torej prva delitev temelji na tem, ali je metoda bližnjega ali daljnega polja.
• Razlika v zmožnostih razdalje temelji na vrsti pojava, ki ga različne metode uporabljajo za brezžični prenos moči. Če je na primer medij, ki ga metoda uporablja za oddajanje moči, elektromagnetna indukcija, potem največja razdalja ne sme biti večja od 5 cm. To je zato, ker se izguba magnetnega pretoka eksponentno poveča s povečanjem razdalje med virom in obremenitvijo, kar vodi do nesprejemljivih izgub moči. Po drugi strani pa, če je medij, ki ga metoda uporablja za oddajanje moči, elektromagnetno sevanjepotem lahko največja razdalja doseže nekaj metrov. To je zato, ker se EMR lahko koncentrira do žariščne točke, ki je oddaljena nekaj metrov od vira. Tudi metode, ki uporabljajo EMR kot medij za dovajanje moči, imajo večjo učinkovitost v primerjavi z drugimi.
• Na več načinov, omenjenih zgoraj, so nekateri bolj priljubljeni kot drugi, spodaj pa so obravnavane priljubljene metode, ki se pogosto uporabljajo.

Obstajata dve priljubljeni metodi za brezžični prenos moči, ki uporabljata elektromagnetno sevanje kot medij za mikrovalovno in lasersko / svetlobno moč

Brezžični prenos moči v mikrovalovni pečici

Ker ga že samo ime pri tej metodi oddaja, bo uporabil mikrovalovni spekter EMR za oddajanje moči za obremenitev. Najprej bo oddajnik napajal iz vtičnice ali katerega koli drugega stabilnega vira napajanja, nato pa bo to AC moč reguliral na zahtevano raven. Po tem bo oddana moč ustvarjala mikrovalove z porabo tega reguliranega napajanja. Mikrovalovi potujejo po zraku brez prekinitve, da dosežejo sprejemnik ali obremenitev. Sprejemnik bo opremljen z ustreznimi napravami za sprejem tega mikrovalovnega sevanja in njegovo pretvorbo v električno energijo. Ta pretvorjena električna moč je sorazmerna s količino mikrovalovnega sevanja, ki ga doseže sprejemnik, zato je dosežen brezžični prenos moči z uporabo mikrovalovnega sevanja.

Laser Light brezžični prenos moči

Vsak, ki se ukvarja z elektroniko in električno energijo, bi moral naleteti na koncept, imenovan proizvodnja sončne energije. In če se dobro spomnite, koncept proizvodnje sončne energije ni nič drugega kot uporaba elektromagnetnega sevanja sonca za proizvedeno elektriko. Ta postopek pretvorbe lahko temelji na sistemih sončnih kolektorjev, sončnem ogrevanju ali katerem koli drugem, polnilnik sončne energije pa je mogoče enostavno izdelati s pomočjo sončnih kolektorjev. Ključno vprašanje pri tem pa je, da je energija, ki jo sonce prenese na zemljo, v obliki elektromagnetnega sevanja, in sicer v vidnem spektru in prenosu energije tukaj, ki se izvaja brezžično. Zato je koncept proizvodnje sončne energije sam po sebi mega brezžični prenosni sistem.

Če zdaj sonce zamenjamo z manjšim generatorjem EMR (ali preprosto svetlobnim virom), lahko nastalo sevanje usmerimo na obremenitev, ki je od svetlobnega vira oddaljena stotine metrov. Ko ta usmerjena svetloba doseže sončno ploščo sprejemnega modula (ali obremenitve), pretvori svetlobno energijo v električno energijo, kar je prvotni cilj nastavitve brezžičnega prenosa energije.

Do zdaj smo razpravljali o tehnikah ali metodah, ki lahko oddajo moč obremenitvi, ki je od vira oddaljena nekaj metrov. Čeprav imajo te tehnike možnost oddaljenosti, so obsežne in drage, zato niso primerne za oblikovanje mobilnega polnilnika. Najbolj praktične metode, ki jih je mogoče uporabiti za zasnovo brezžičnih polnilnikov, so " Inductive Coupling Type" in " Magnetic Resonant Induction ". To sta dve metodi, ki kot princip uporabljata Faradayev zakon o elektromagnetni indukciji, magnetni tok pa kot razmnoževalni pojav za doseganje brezžičnega prenosa energije.

Brezžični prenos moči z uporabo induktivne sklopke

Nastavitev, ki se uporablja v induktivni sklopki, je zelo podobna tisti, ki se uporablja za električni transformator. Za boljše razumevanje si oglejmo tipično aplikacijsko vezje metode brezžičnega prenosa moči z induktivno sklopko.

• V zgornjem funkcionalnem diagramu imamo dva odseka, eden je nastavitev prenosa električne energije, drugi pa nastavitev sprejemnika električne energije.
• Oba odseka sta med seboj električno izolirana in ločena z izolatorjem širine nekaj centimetrov. Čeprav oba odseka nimata nobene električne interakcije, še vedno obstaja magnetna sklopka med njima.
• Vir izmenične napetosti, ki je prisoten v modulu oddajnika, napaja celoten sistem.

Delovanje brezžičnega prenosa tipa induktivne sklopke: od začetka je v modulu oddajnika prisoten tok toka v tuljavi prevodnika, ker je na končne sponke tuljave priključen vir izmenične napetosti. In zaradi tega pretoka toka bi moralo nastati magnetno polje okoli vodnikov tuljave, ki je tesno navita okoli feritnega jedra. Zaradi prisotnosti medija se ves magnetni tok tuljave koncentrira na feritno jedro. Ta tok se premika vzdolž osi feritnega jedra in se izvrže v prosti prostor zunaj prenosnega modula, kot je prikazano na sliki.

Če sprejemniški modul približamo oddajniku, bo magnetni tok, ki ga oddaja oddajnik, prerezal tuljavo v sprejemnem modulu. Ker je tok, ki ga ustvarja oddajniški modul, spremenljiv tok, je treba v vodnik, ki je v njegovem obsegu, v skladu z Faradayevim zakonom o elektromagnetni indukciji inducirati EMF. Na podlagi te teorije je treba v sprejemno tuljavo, ki doživlja magnetni tok, ki ga ustvarja oddajnik, vnesti tudi EMF. Ta ustvarjena napetost bo odpravljena, filtrirana in regulirana, da bo dobila pravilno enosmerno napetost, ki je zelo potrebna za sistemski krmilnik.

V nekaterih primerih se izloči tudi feritno jedro, da so oddajnik in sprejemnik bolj kompaktni in lahki. To aplikacijo si lahko ogledate v paru Brezžični polnilnik za mobilni telefon in Pametni telefon. Kot vsi trenutno poznamo panoge, ki se med seboj tekmujejo, katera bo izdala zmogljive pametne telefone in druge naprave, ki so lažje, tanjše in hladnejše. Oblikovalci imajo dobesedno nočne more, da bi dosegli te funkcije, ne da bi pri tem ogrozili delovanje, zato je zajemanje naprave samo zaradi brezžičnega prenosa energije nesprejemljivo. Tako oblikovalci in inženirji prihajajo z več tanjšimi in lažjimi moduli, ki jih je mogoče vgraditi v pametne telefone in tablične računalnike.

Tu si lahko ogledate notranjo konstrukcijo najnovejšega brezžičnega polnilnika.

Pametni telefon z zmogljivostjo brezžičnega napajanja bo imel tudi podobno tuljavo, ki bo omogočila elektromagnetno indukcijo. Na spodnji sliki lahko vidite, kako je tanka tuljava pritrjena na spodnjem koncu pametnega telefona blizu baterije. Ogledate si lahko, kako so inženirji zasnovali ta brezžični polnilnik tako tanko, ne da bi ogrozili njegovo delovanje. Delovanje te nastavitve je podobno zgoraj obravnavanemu primeru, le da v središču navitja nima feritnega jedra.

Čeprav se zdi ta način prenosa moči z elektromagnetno indukcijo enostaven, vendar ni primerljiv z učinkovitim načinom oddajanja energije prek kabla.

Brezžični prenos moči na osnovi magnetne resonančne indukcije

Magnetna resonančna indukcija je oblika induktivne sklopke, pri kateri se moč prenaša z magnetnimi polji med dvema resonančnimi tokokrogi (uglašenimi vezji), enim v oddajniku in drugim v sprejemniku. Zaradi tega mora biti nastavitev vezja magnetne resonančne indukcije zelo podobna vezju induktivne sklopke, o katerem smo že govorili.

Na tej sliki lahko vidite, razen prisotnosti serijskih kondenzatorjev je celotno vezje podobno prejšnjemu primeru.

Delo: Delovanje tega modela je prav tako zelo podobno prejšnjemu primeru, le da so vezja v oddajniku in sprejemniku nastavljena tako, da delujejo na resonančni frekvenci. Kondenzatorji so posebej povezani zaporedno z obema tuljavama, da dosežemo ta resonančni učinek.

Kot vsi vemo, kondenzator v seriji z induktorjem tvori serijsko LC vezje, kot je prikazano na sliki. In vrednost frekvence, pri kateri bo to vezje delovalo v resonanci, lahko damo kot, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Tu je L = vrednost induktorja in C = vrednost kondenzatorja.

Z uporabo enake formule bomo izračunali vrednost resonančne frekvence za vezje oddajnika moči in prilagodili frekvenco izmeničnega vira napajanja na to izračunano vrednost.

Ko je frekvenca vira nastavljena, bo oddajniško vezje skupaj s sprejemnim vezjem delovalo na resonančni frekvenci. Po tem je treba v sprejemniškem vezju inducirati EMF v skladu s Faradayevim indukcijskim zakonom, kot smo razpravljali v prejšnjem primeru. In ta inducirani EMF bo popravljen, filtriran in reguliran, da bo dobil pravilno enosmerno napetost, kot je prikazano na sliki.

Do zdaj smo razpravljali o različnih tehnikah, ki jih lahko uporabimo za brezžični prenos moči, skupaj z njihovimi tipičnimi aplikacijskimi vezji. In te metode uporabljamo za razvoj vezij za vse sisteme brezžičnega prenosa energije, kot so brezžični polnilnik, brezžični sistem za polnjenje električnih vozil, brezžični prenos moči za drone, letala itd.

Standardi za brezžični prenos moči

Zdaj, ko vsako podjetje razvija lastne produkcije in polnilne postaje, so potrebni skupni standardi med vsemi razvijalci, da bi lahko potrošnik izbral najboljše med oceanom izbire. Torej nekaj standardov sledi vsem panogam, ki se ukvarjajo z razvojem sistemov za brezžični prenos moči.

Različni standardi, ki se uporabljajo za razvoj naprav za brezžični prenos moči, kot je brezžični polnilnik:

Standardi „Qi“ - Wireless Power Consortium:

• Tehnologija - induktivna, resonančna - nizka frekvenca
• Nizka moč - 5W, srednja moč - 15W, brezžični kuhinjski aparati Qi od 100W do 2,4kW
• Frekvenčno območje - 110 - 205 kHz
• Izdelki - 500+ izdelkov, ki se uporabljajo v več kot 60 podjetjih za mobilno telefonijo

Standardi "PMA" - Power Matter Alliance:

• Tehnologija - induktivna, resonančna - visokofrekvenčna
• Najvišja izhodna moč od 3,5 W do 50 W
• Frekvenčno območje - 277 - 357 kHz
• Izdelki - po vsem svetu se distribuirata le 2, a 1.000.000 enotah preprog

Prednosti brezžičnega polnilnika

• Brezžični polnilnik je zelo uporaben za polnjenje domačih naprav, kot so pametni telefon, prenosnik, iPod, prenosni računalnik, slušalke itd.,
• Omogoča priročen, varen in učinkovit način prenosa moči brez kakršnega koli medija.
• Okolju prijazno - ne škoduje ali poškoduje človeka ali katerega koli živega bitja.
• Uporablja se lahko za polnjenje medicinskih vsadkov, kar izboljša kakovost življenja in zmanjša tveganje za okužbo.
• Običajne skrbi glede obrabe napajalne vtičnice ni treba.
• Premetavanje usmeritve napajalnega kabla je z uporabo brezžičnih polnilnikov konec.

Slabosti brezžičnega polnilnika

• Manj učinkovitosti in več izgube energije.
• Stane več kot kabelski polnilnik.
• Popravilo napake je težko.
• Ni primeren za visoko moč.
• Izgube energije se povečajo z obremenitvijo.