En översikt över trådlös laddningsteknik

Trådlös laddning är processen för att ladda batteridrivna elektroniska enheter utan att direkt binda dem med ledningar och kablar till en strömkälla. Processen ger användarna friheten att ladda sin telefon när de är på språng utan att behöva ansluta till eluttaget. Detta innebär att trådlösa laddningsaktiverade smartphones och andra enheter kan laddas genom att helt enkelt placera dem på ett soffbord eller till och med ännu mer komplexa maskiner som elbilar kan laddas genom att helt enkelt parkera dem i garaget eller genom trådlös laddningsaktiverad väg. Det eliminerar alla säkerhetsproblem i samband med sladdbaserad laddning och öppnar dörren till en ny typ av frihet för användarna.

Trådlös laddning går tillbaka till slutet av 1800-talet när Nikola Tesla utvecklade tesla-spolen som skulle hjälpa till att överföra kraft trådlöst, medan experimentet inte lyckades uppnå målet vid den tiden, det väckte intresse för fältet och många fler började arbeta med idén. 2006 började MIT testa användningen av resonanskoppling för att överföra stora mängder energi och detta banade väg för några av de fantastiska trådlösa laddningstekniker som finns idag. Du kan kolla in detta experiment för att bygga en Mini Tesla-spole för att överföra kraft trådlöst.

Hur trådlös kraftöverföring fungerar

Trådlös laddning kallas ibland induktiv laddning eftersom den bygger på principen om elektromagnetisk induktion. Precis som det trådlösa kommunikationssystemet uppnås trådlös laddning via en trådlös energisändare och mottagare. Den trådlösa laddningssändaren som vanligtvis kallas laddstationen är ansluten till ett eluttag och överför energin som tillförs via uttaget till mottagaren som alltid är ansluten till enheten som ska laddas och placeras i närheten av den trådlösa laddstationen.

Nedan följer ett blockschema för att beskriva komponenterna i ett trådlöst laddningssystem och laddningsprocess:

Som nämnts tidigare utnyttjar trådlös laddning principen om magnetisk induktion som används i elektriska transformatorer, generatorer och motorer, så att passage av elektrisk ström genom en spole orsakar ett förändrat magnetfält runt den spolen som inducerar en ström i en annan kopplad spole. Detta är principen bakom överföringen av elektrisk energi mellan den primära och sekundära spolen i en elektrisk transformator trots att de verkar vara isolerade. Vid trådlös laddning har alla komponenter (sändaren och mottagaren) som utgör systemet en spole. Sändarspolen kan liknas med den primära spolen medan mottagarspolen kan liknas med den sekundära spolen i en elektrisk transformator. När en laddstation är ansluten till nätadaptern,den matade strömmen rättas till DC av likriktarsystemet varefter kopplingssystemet tar över. Anledningen till omkopplingen är att kunna generera det förändrade magnetiska flödet som behövs för att inducera laddningar i mottagarspolen.

Mottagarspolen samlar in den inkommande effekten och skickar den vidare till mottagarkretsen som omvandlar den inkommande effekten till DC och sedan tillför den mottagna effekten för att ladda batteriet.

Som fastställts ovan sker kraftöverföring när magnetiskt flöde, skapat genom att skapa ett alternerande magnetfält i sändarspolen, omvandlas till en elektrisk ström i mottagarspolen. Mängden genererad elektrisk ström beror på mängden flöde som genereras av sändaren och hur mycket av det flöde mottagarspolen kunde fånga. Mängden flöde som mottagaren fångar beror på ”kopplingsfaktorn” som bestäms av storleken, avståndet och placeringen av mottagarspolen i förhållande till sändarspolen. Detta innebär att en högre kopplingsfaktor kommer att resultera i högre energiöverföring. För att öka risken för en högre kopplingsfaktor är vissa trådlösa laddstationer utformade med flera sändarspolar som visas i bilden nedan.

Trådlösa laddningsstandarder

Trådlösa laddningsstandarder hänvisar till reglerna för design och utveckling av trådlösa enheter. Det finns för närvarande två olika branschstandarder för trådlös laddning som främjas av olika organ.

1. Rezence Standard

2. QI-standard

Den Rezence standarden baseras på resonans induktiv laddning så att laddning inträffar när både sändaren och mottagarspolarna är i resonans. Med denna standard kan enheter uppnå ett större avstånd mellan sändaren och mottagaren för laddning. Denna standard marknadsförs av Alliance for wireless power (A4WP).

Den QI standard å andra sidan uppnår trådlös energiöverföring med användning av tät koppling mellan spolarna och mot Rezence standarden, är sändaren och mottagaren polen alltid utformade för att arbeta vid något olika frekvenser eftersom man tror mer kraft levereras med användning av denna inställning. QI-standard marknadsförs av det trådlösa kraftkonsortiet som inkluderar medlemmar som Apple inc, Qualcomm, HTC för att nämna några.

Du kan välja den trådlösa standard som bäst passar din applikation genom att överväga avvägningarna mellan EMI, effektivitet och friheten för anpassning mellan de två standarderna. Ändå är vissa trådlösa laddningsstationer utformade för att stödja båda standarderna, dessa ger hög interoperabilitet mellan enheter.

Enkel design för trådlös laddare

Innan du bygger ett trådlöst laddningssystem bör följande beaktas.

1. Standard: När du utrustar en enhet med trådlös laddningsförmåga är det första att göra att välja den trådlösa kraftstandarden som passar enheten och dess användningsfall. Vissa laddningssystem baseras på flera standarder.

2. Spolval: Nästa sak är att välja rätt spoltyp och spolgeometri för att passa användningsfallet. Leverantörer tillhandahåller dessa spolar i standardmätare, så valet av lämpligt bör baseras på rekommendationen från databladet för den trådlösa laddningssändaren IC som ska användas.

3. Hölje: Vid utformning av trådlösa system är det viktigt att enhetens hölje inte är metall och har en relativt plan yta för att uppnå en högre kopplingsfaktor mellan sändaren och mottagaren. Metall förhindrar effektivt att energin som överförs från att komma till mottagaren och plasthöljet måste vara utformat för att vara extremt tunt.

Design av sändare

Det trådlösa laddningssystemet består av både sändaren och mottagaren som tidigare nämnts. Nedan är schemat som visar designen på en sändare.

Det finns tre huvudkomponenter som utgör sändaren; den strömkälla, sändarspolen och omkopplingskretsen. Strömkällan är vanligtvis likström från en likriktad växelström. Efter korrigering används omkopplingskretsen för att generera den alternerande signalen som används vid skapandet av det förändrade magnetfältet för att inducera strömöverföring från sändaren till mottagaren via sändarspolen.

Mottagarens design

Mottagarens design är liknande den för sändaren förutom att åtgärden sker i omvänd ordning. Mottagaren består av en mottagarspole, resonansnätverk och likriktare och en laddare IC som använder utgången från likriktarkretsen för att ladda det anslutna batteriet. Ett exempel på mottagarkrets visas i bilden nedan med de funktionella delarna markerade. Detta exempel är baserat på laddnings-IC LTC4120.

Applikationer

Trådlös laddning används för närvarande i många applikationer inklusive:

1. Smartphones och bärbar
2. Bärbara datorer och surfplattor
3. Elverktyg och service-robotar, som dammsugare
4. Multikopters och elektriska leksaker
5. Medicinska apparater
6. Laddning i bilen

Förutom de snygga anledningarna till varför du ska använda trådlös laddning, som inget behov av att ansluta en enhet och inga problem med kompatibilitet med kontakten, ger trådlös laddning säkerhet från risker relaterade till anslutning direkt till elnätet. Dessutom är den pålitlig i hårdare miljöer, såsom borrning och gruvdrift, och möjliggör sömlös laddning när du är på språng. Slutligen eliminerar trådlös laddning trassel och annan röran som skapas av ledningar. Vi har bara precis skrapat i ansiktet av trådlös laddning med flera nya applikationer, varje produktdesign som görs med tanke på framtiden bör försöka integrera trådlös laddning, eftersom det verkligen är ett av sätten att ladda batteridrivna enheter inom närmaste framtid.