Каждая электронная система или устройство нуждается в электроэнергии для работы, будь то от настенного блока питания переменного тока или батареи. Эта электроэнергия не может храниться бесконечно ни в одном перезаряжаемом устройстве, таком как батареи, конденсаторы или суперконденсаторы. Поэтому любые портативные устройства, такие как ноутбуки или мобильные телефоны, необходимо подключать к линиям переменного тока для регулярной подзарядки их батарей.

Обычно электрические кабели используются для подключения таких перезаряжаемых устройств, как смартфоны, планшеты, наушники, Bluetooth-колонки и т. д. к адаптерам переменного тока и постоянного тока. Использование электронных проводниковых кабелей для передачи электроэнергии или данных между двумя системами является самым простым и популярным способом с момента открытия самого электричества. И люди с удовольствием используют электрические кабели до сих пор, но с развитием технологий, безопасностью человека и человеческим стремлением к совершенству в красоте возникают концепции беспроводной передачи электроэнергии (Wireless power transfer, WPT) или беспроводной передачи энергии (wireless energy transmission, WET)  в картину, которая давно затерялась в истории.

Первое значительное экспериментальное применение беспроводной передачи энергии (WPT) было сделано в начале 1890-х годов изобретателем Николой Теслой. Во время экспериментов электрическая энергия передавалась посредством индуктивной и емкостной связи с использованием возбуждаемых искрой радиочастотных резонансных трансформаторов, которые теперь называются катушками Теслы. Хотя эти эксперименты были частично успешными, они неэффективны и требуют больших инвестиций. Поэтому позже эти эксперименты были отменены, и исследование технологии застопорилось на много лет.

Хотя даже сейчас нет эффективного способа беспроводной передачи большой мощности, можно разработать схему с текущими технологическими достижениями для эффективной передачи малой мощности между двумя системами. И беспроводные зарядные устройства разработаны на основе этой недавно разработанной схемы, которая позволяет им передавать питание на смартфоны и другие небольшие электронные устройства по беспроводной связи.

Также ранее на нашем сайте мы рассматривали принцип работы технологии беспроводной зарядки и беспроводной системы зарядки электромобилей.

Различные технологии беспроводной зарядки, используемые в беспроводном зарядном устройстве

С тех пор, как концепция беспроводной передачи энергии стала популярной, ученые и инженеры придумали различные способы ее реализации. Хотя большинство этих экспериментов привели к неудачам или непрактичным результатам, лишь немногие из них дали удовлетворительные результаты. Эти проверенные и работающие способы достижения беспроводной передачи энергии имеют свои собственные преимущества, недостатки и особенности. Среди этих различных методов только несколько используются при проектировании беспроводных зарядных устройств. В то время как другие методы имеют свою собственную область применения и преимущества.

Эти методы классифицируются на основе расстояния передачи, максимальной мощности и метода, используемого для достижения передачи энергии. На рисунке ниже мы можем увидеть различные способы, используемые для достижения технологии беспроводной передачи энергии и их классификацию.

Здесь,

• Первая и самая важная классификация основана на том, насколько далеко возможна передача энергии. В экспериментальных методах некоторые из них способны передавать энергию по беспроводной сети к нагрузкам на большом расстоянии, в то время как другие могут передавать энергию только к нагрузкам, находящимся всего в нескольких сантиметрах от источника. Таким образом, первое разделение основано на том, является ли метод методом ближнего поля или дальнего поля.
• Разница в возможностях расстояния зависит от типа явления, используемого различными методами для достижения беспроводной передачи энергии. Например, если среда, используемая методом для доставки энергии, представляет собой электромагнитную индукцию, то максимальное расстояние не может превышать 5 см. Это связано с тем, что потеря магнитного потока увеличивается экспоненциально с увеличением расстояния между источником и нагрузкой, что приводит к неприемлемым потерям энергии. С другой стороны, если среда, используемая методом для доставки энергии, представляет собой электромагнитное излучение , то максимальное расстояние может достигать нескольких метров. Это связано с тем, что ЭМИ может быть сконцентрировано в фокусной точке, которая находится в метрах от источника. Кроме того, методы, использующие ЭМИ в качестве среды для доставки энергии, имеют более высокую эффективность по сравнению с другими.
• Из множества упомянутых выше способов некоторые более популярны, чем другие, и наиболее популярные и широко используемые методы обсуждаются ниже.

Существует два популярных метода беспроводной передачи энергии, в которых в качестве среды используется электромагнитное излучение: микроволновая энергия и лазерная/световая энергия.

Микроволновая беспроводная передача энергии

Как следует из названия, в этом методе используется микроволновый спектр ЭМИ для подачи питания на нагрузку. Сначала передатчик будет получать питание из розетки или любого другого стабильного источника питания, а затем регулировать эту переменную мощность до необходимого уровня. После этого передаваемая мощность будет генерировать микроволны, потребляя этот регулируемый источник питания. Микроволны проходят по воздуху без каких-либо помех, чтобы достичь приемника или нагрузки. Приемник будет оснащен соответствующими устройствами для приема этого микроволнового излучения и преобразования его в электрическую энергию. Эта преобразованная электрическая мощность прямо пропорциональна количеству микроволнового излучения, достигающего приемника, и, следовательно, достигается беспроводная передача энергии с использованием микроволнового излучения.

Беспроводная передача энергии лазерного света

Любой человек, который имеет дело с электроникой и электроэнергией, должен был сталкиваться с концепцией, называемой солнечной генерацией энергии. И если вы правильно помните, концепция солнечной генерации энергии - это не что иное, как использование электромагнитного излучения солнца для выработки электроэнергии. Этот процесс преобразования может быть основан на системах солнечных панелей, солнечного отопления или любых других, и солнечное зарядное устройство можно легко построить с использованием солнечных панелей. Но ключевой вопрос здесь в том, что энергия, передаваемая солнцем на землю, находится в форме электромагнитного излучения и находится конкретно в видимом спектре, а передача энергии здесь осуществляется беспроводным способом. Следовательно, концепция солнечной генерации энергии сама по себе является мегасистемой беспроводной передачи энергии.

Теперь, если мы заменим солнце на меньший генератор ЭМИ (или просто источник света), то мы сможем сфокусировать генерируемое излучение на нагрузке, которая находится в сотнях метров от источника света. Как только этот сфокусированный свет достигает солнечной панели приемного модуля (или нагрузки), он преобразует световую энергию в электроэнергию, что является изначальной целью беспроводной передачи энергии.

До сих пор мы обсуждали методы и приемы, которые способны подавать питание на нагрузку, которая находится на расстоянии нескольких метров от источника. Хотя эти методы имеют возможность передачи на расстояние, они громоздки и дороги, поэтому они не подходят для проектирования мобильных зарядных устройств. Наиболее практичными методами, которые можно использовать для проектирования беспроводных зарядных устройств, являются «Тип индуктивной связи» и «Магнитно-резонансная индукция». Это два метода, которые используют закон электромагнитной индукции Фарадея в качестве принципа и магнитный поток в качестве распространяющегося явления для достижения беспроводной передачи энергии.

Беспроводная передача энергии с использованием индуктивной связи

Установка, используемая в индуктивной связи, очень похожа на ту, что используется для электрического трансформатора. Для лучшего понимания давайте рассмотрим типичную схему применения метода беспроводной передачи энергии с индуктивной связью.

• На приведенной выше функциональной схеме имеются две секции: одна — установка передачи электроэнергии, а другая — установка приема электроэнергии.
• Обе секции электрически изолированы друг от друга и разделены изолятором шириной в пару сантиметров. Хотя обе секции не имеют электрического взаимодействия, между ними все же есть магнитная связь.
• Источник переменного напряжения, присутствующий в передающем модуле, обеспечивает питание всей системы.

Работа беспроводной передачи с индуктивной связью: С самого начала в передающем модуле присутствует ток в катушке-проводнике, поскольку источник переменного напряжения подключен к конечным клеммам катушки. И из-за этого тока должно быть создано магнитное поле вокруг проводников катушки, которая плотно намотана вокруг ферритового сердечника. Из-за наличия среды весь магнитный поток катушки концентрируется на ферритовом сердечнике. Этот поток движется вдоль оси ферритового сердечника и выбрасывается в свободное пространство за пределами передающего модуля, как показано на рисунке.

Теперь, если мы поднесем модуль приемника к передатчику, то магнитный поток, излучаемый передатчиком, будет пронизывать катушку, присутствующую в модуле приемника. Поскольку поток, создаваемый модулем передатчика, является переменным потоком, то в проводнике, находящемся в его диапазоне, должна быть индуцирована ЭДС в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. На основании этой теории ЭДС также должна быть индуцирована в катушку приемника, которая испытывает магнитный поток, создаваемый передатчиком. Это сгенерированное напряжение будет выпрямляться, фильтроваться и регулироваться для получения надлежащего постоянного напряжения, которое необходимо для системного контроллера.

В некоторых случаях ферритовый сердечник также устраняется, чтобы сделать передатчик и приемник более компактными и легкими. Вы можете увидеть это применение в беспроводном зарядном устройстве для мобильных телефонов и смартфонов. Как мы все знаем, эти отрасли в настоящее время конкурируют друг с другом, чтобы выпустить высокопроизводительные смартфоны и другие устройства, которые легче, тоньше и холоднее. Дизайнеры буквально видят кошмары, чтобы достичь этих характеристик без ущерба для производительности, поэтому делать устройство громоздким только ради беспроводной передачи энергии неприемлемо. Поэтому дизайнеры и инженеры придумывают более тонкие и легкие модули, которые можно вставить в смартфоны и планшеты.

На следующем рисунке показана внутренняя конструкция новейшего беспроводного зарядного устройства.

Смартфон с возможностью беспроводной подачи питания также будет иметь похожую катушку, чтобы сделать возможным осуществление электромагнитной индукции. На рисунке ниже вы можете увидеть, как тонкая катушка крепится к нижнему концу смартфона рядом с аккумулятором. Вы можете увидеть, как инженеры спроектировали это беспроводное зарядное устройство таким тонким, не идя на компромиссы в его производительности. Работа этой установки похожа на случай, описанный выше, за исключением того, что в центре обмотки нет ферритового сердечника.

Хотя этот способ передачи энергии посредством электромагнитной индукции кажется простым, он не сопоставим с эффективным методом передачи энергии по кабелю.

Беспроводная передача энергии на основе магнитно-резонансной индукции

Магнитная резонансная индукция — это форма индуктивной связи, в которой мощность передается магнитными полями между двумя резонансными контурами (настроенными контурами), одним в передатчике и одним в приемнике. Из-за этого настройка контура магнитной резонансной индукции должна быть очень похожа на схему индуктивной связи, которую мы обсуждали ранее.

На этом рисунке вы можете видеть, что за исключением наличия последовательных конденсаторов вся схема аналогична предыдущему случаю.

Работа: работа этой схемы также очень похожа на предыдущий случай, за исключением того, что здесь цепи, присутствующие в передатчике и приемнике, настроены на работу на резонансной частоте. Конденсаторы специально соединены последовательно с обеими катушками для достижения этого резонансного эффекта.

Как мы все знаем, конденсатор последовательно с катушкой индуктивности образует последовательную LC-цепь, как показано на рисунке. И значение частоты, на которой эта цепь будет работать в резонансе, можно задать следующей формулой:

F_r = 1/2ᴫ(LC)^1/2

Здесь L - значение индуктивности, а C - значение емкости конденсатора.

Используя ту же формулу, мы вычислим значение резонансной частоты для схемы передатчика мощности и настроим частоту источника переменного тока на это расчетное значение.

После настройки частоты источника схема передатчика вместе с схемой приемника будут работать на резонансной частоте. После этого в схеме приемника должна быть индуцирована ЭДС в соответствии с законом индукции Фарадея, как мы обсуждали в предыдущем случае. И эта индуцированная ЭДС будет выпрямлена, отфильтрована и отрегулирована для получения надлежащего постоянного напряжения, как показано на рисунке.

До сих пор мы обсуждали различные методы, которые могут быть использованы для беспроводной передачи энергии вместе с их типичными схемами применения. И мы используем эти методы для разработки схем для всех систем беспроводной передачи энергии, таких как беспроводное зарядное устройство, беспроводная система зарядки электромобилей, беспроводная передача энергии для дронов, самолетов и т. д.

Стандарты беспроводной передачи энергии

Теперь, когда каждая компания разрабатывает собственные производства и зарядные станции, необходимы общие стандарты среди всех разработчиков, чтобы потребитель мог выбрать лучшее из океана вариантов. Поэтому все отрасли, работающие над разработкой беспроводных систем передачи энергии, придерживаются нескольких стандартов.

Различные стандарты, используемые при разработке устройств беспроводной передачи энергии, таких как беспроводные зарядные устройства:

Стандарты «Qi» – от Wireless Power Consortium :

• Технология - Индуктивная, Резонансная - Низкочастотная
• Малая мощность - 5 Вт, средняя мощность - 15 Вт, беспроводная кухонная техника Qi от 100 Вт до 2,4 кВт
• Диапазон частот - 110 – 205 кГц
• Продукция - более 500 наименований, используемых в более чем 60 сотовых компаниях.

Стандарты «PMA» – от Power Matter Alliance:

• Технология - Индуктивная, Резонансная - Высокочастотная
• Максимальная выходная мощность от 3,5 Вт до 50 Вт
• Диапазон частот - 277 – 357 кГц
• Продукция – всего 2, но 100 000 единиц Power Mats распространяются по всему миру.

Преимущества и недостатки беспроводных зарядных устройств

Преимущества беспроводного зарядного устройства

• Беспроводное зарядное устройство очень полезно для зарядки домашних устройств, таких как смартфон, ноутбук, iPod, нетбук, наушники и т. д.
• Оно обеспечивает удобный, безопасный и эффективный способ передачи энергии без какой-либо среды.
• Экологичность — не наносит вреда человеку или любому живому существу.
• Его можно использовать для зарядки медицинских имплантатов, что приводит к улучшению качества жизни и снижению риска заражения.
• Нет необходимости беспокоиться об износе разъема питания.
• С появлением беспроводных зарядных устройств больше нет места путанице с ориентацией кабеля питания.

Недостатки беспроводного зарядного устройства

• Меньше эффективности и больше потерь мощности.
• Стоит дороже, чем кабельное зарядное устройство.
• Устранение неисправности затруднено.
• Не подходит для передачи большой мощности.
• Потери энергии увеличиваются с ростом нагрузки.

34 просмотров