Olika typer av trådlös kraftöverföringsteknik och hur de fungerar

Varje elektroniskt system eller enhet behöver elektrisk ström för att fungera, oavsett om det kommer från din väggförsedda nätadapter eller ett batteri. Denna elkraft kan inte lagras oändligt i någon uppladdningsbar enhet som batterier, kondensorer eller superkondensatorer. Så alla bärbara enheter som bärbara datorer eller mobiltelefoner behövs för att anslutas till växelströmsledningar för att ladda batterierna regelbundet.

Normalt används elektriska kablar för att ansluta dessa uppladdningsbara enheter som smartphones, surfplattor, hörlurar, Bluetooth-högtalare, etc. till AC-DC-adaptrar. Att använda elektroniska ledarkablar för att överföra kraft eller data mellan två system är det mest grundläggande och populära sättet sedan upptäckten av el i sig. Och människor är glada över att använda elektriska kablar fram till nu men med framsteg av teknik leder mänsklig säkerhet och mänsklighetens hunger efter perfektion i skönhet till begreppen Trådlös kraftöverföring (WPT) eller trådlös energiöverföring (WET) i bilden som förlorat för länge i historien. I några av våra tidigare artiklar har vi förklarat trådlös kraftöverföring i detalj och också byggt en krets för trådlös överföring av kraften för att lysa en lysdiod.

Den första betydande experimentella applikationen för trådlös kraftöverföring (WPT) gjordes i början av 1890-talet av uppfinnaren Nikola Tesla. Under experimenten överförs elkraft genom induktiv och kapacitiv koppling med gnistupphetsad radiofrekvensresonanttransformator, nu kallad Tesla-spole. Även om dessa experiment är delvis framgångsrika är de inte effektiva och kräver stora investeringar. Så senare skrotas dessa experiment och teknikstudien stagnerades under många år. Vi har också byggt en mini-tesla-spole för att demonstrera konceptet med Tesla-spolar.

Även om det ännu inte finns något effektivt sätt att leverera hög effekt trådlöst, är det möjligt att utforma en krets med de nuvarande tekniska framstegen för att effektivt överföra låg effekt mellan två system. Och de trådlösa laddarna är designade baserat på denna nyutvecklade krets som gör att den kan leverera ström till smartphones och andra små elektroniska enheter trådlöst.

Olika trådlösa laddningstekniker som används i trådlös laddare

Ända sedan begreppet trådlös kraftöverföring blev populärt kom både forskare och ingenjörer på olika sätt att förverkliga detta koncept. Även om de flesta av dessa experiment ledde till misslyckanden eller opraktiska resultat, gav få av dessa experiment tillfredsställande resultat. Dessa testade och arbetssätt för att uppnå trådlös kraftöverföring har sina egna fördelar, nackdelar och funktioner. Bland dessa olika metoder används bara ett par för att utforma trådlösa laddare. Medan andra metoder har sitt eget applikationsområde och fördelar.

Nu för bättre förståelse klassificeras dessa metoder baserat på distansavståndet, maximal effekt och metod som används för att uppnå kraftöverföring. I nedanstående figur kan vi se olika sätt som används för att uppnå trådlös kraftöverföringsteknik och deras klassificering.

Här,

Den första och viktigaste klassificeringen baseras på hur långt kraftöverföring är möjlig. I de experimenterade metoderna kan vissa leverera kraft trådlöst till laster på långt avstånd, medan andra bara kunde leverera kraft till laster bara några centimeter från källan. Så den första uppdelningen baseras på om metoden är av Near Field eller Far Field.
Skillnaden i avståndskapacitet beror på vilken typ av fenomen som används av olika metoder för att uppnå trådlös kraftöverföring. Till exempel, om mediet som används för att leverera effekt är elektromagnetisk induktion, kan det maximala avståndet inte vara högre än 5 cm. Detta beror på att förlusten av magnetiskt flöde ökar exponentiellt med en ökning av avståndet mellan källa och belastning vilket leder till oacceptabla effektförluster. Å andra sidan, om mediet som används av metoden för att leverera effekt är elektromagnetisk strålningdå kan det maximala avståndet gå så högt några meter. Detta beror på att EMR kan koncentreras till en kontaktpunkt som ligger några meter från källan. Metoder som använder EMR som medium för att leverera effekt har också högre effektivitet jämfört med andra.
På de många sätt som nämns ovan är vissa mer populära än andra och de populära metoderna som används allmänt diskuteras nedan.

Det finns två populära metoder för trådlös kraftöverföring som använder elektromagnetisk strålning som medium - Mikrovågseffekt och Laser / ljuseffekt

Mikrovågsugn Trådlös kraftöverföring

Eftersom namnet själv ger bort det i den här metoden kommer det att använda mikrovågsspektrumet i EMR för att leverera kraft att ladda. Först kommer sändaren att dra ström från ett uttag eller någon annan stabil strömkälla och sedan reglera denna växelström till önskad nivå. Därefter genererar den överförda effekten mikrovågor genom att förbruka denna reglerade strömförsörjning. Mikrovågorna färdas genom luft utan avbrott för att nå mottagaren eller belastningen. Mottagaren kommer att vara utrustad med lämpliga enheter för att ta emot denna mikrovågsstrålning och omvandla den till elektrisk energi. Denna omvandlade elektriska effekt är direkt proportionell mot mängden mikrovågsstrålning som nås till mottagaren och följaktligen uppnås trådlös kraftöverföring med mikrovågsstrålning.

Trådlös överföring av laserljus

Varje person som arbetar med elektronik och elkraft borde ha stött på ett koncept som kallas solenergiproduktion. Och om du kommer ihåg rätt är begreppet solenergiproduktion inget annat än att använda elektromagnetisk strålning från solen till genererad el. Denna omvandlingsprocess kan baseras på solpanelsystem, solvärme eller något annat och en solcellsladdare kan enkelt byggas med solpaneler. Men nyckelfrågan här är den energi som solen överför till jorden är i form av elektromagnetisk strålning och är specifikt i det synliga spektrumet och överföringen av energi här sker trådlöst. Därför är begreppet solenergiproduktion i sig ett mega trådlöst kraftöverföringssystem.

Om vi nu byter ut solen med en mindre EMR-generator (eller helt enkelt en ljuskälla) kan vi fokusera strålningen som genereras på en belastning som ligger hundratals meter från ljuskällan. När detta fokuserade ljus når solpanelen på mottagarmodulen (eller belastningen) omvandlar den ljusenergin till elkraft som är det ursprungliga målet för installation av trådlös kraftöverföring.

Hittills diskuterade vi tekniker eller metoder som kan leverera kraft att ladda som ligger några meter från källan. Även om dessa tekniker har avståndsförmåga är de skrymmande och kostsamma så de är inte lämpliga för design av mobil laddare. De mest praktiska metoderna som kan användas för design av trådlösa laddare är nämligen ' Induktiv kopplingstyp' och ' Magnetresonansinduktion '. Det här är de två metoderna som använder Faradays lag om elektromagnetisk induktion som princip och magnetiskt flöde som förökningsfenomen för att uppnå trådlös kraftöverföring.

Trådlös kraftöverföring med induktiv koppling

Inställningen som används i induktiv koppling liknar den som används för elektrisk transformator. För bättre förståelse, låt oss titta på den typiska applikationskretsen för induktiv koppling trådlös kraftöverföringsmetod.

I ovanstående funktionsdiagram har vi två avsnitt, en är en installation av elektrisk kraftöverföring och den andra är installationen av elektrisk mottagare.
Båda sektionerna är elektriskt isolerade med varandra och separeras av en isolator med ett par centimeter bredd. Även om båda sektionerna inte har någon elektrisk interaktion finns det fortfarande en magnetisk koppling mellan dem.
Växelströmskällan som finns i sändarmodulen ger ström till hela systemet.

Arbete av induktiv kopplingstyp Trådlös överföring: Från början finns ett strömflöde i ledarspolen i sändarmodulen eftersom en växelspänningskälla är ansluten till spolens ändanslutningar. Och på grund av detta strömflöde bör ett magnetfält genereras runt ledarna på spolen som är tätt lindad runt en ferritkärna. På grund av närvaron av ett medium koncentreras allt magnetiska flöde av spolen till ferritkärnan. Detta flöde rör sig längs ferritkärnans axel och matas ut i det fria utrymmet utanför överföringsmodulen som visas i figuren.

Om vi nu tar emot mottagarmodulen nära sändaren kommer det magnetiska flödet som sänds ut att sänka spolen som finns i mottagarmodulen. Eftersom flödet som genereras av sändarmodulen varierar flödet, måste en EMF induceras i ledaren som förs inom sitt område enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion. Baserat på denna teori måste en EMF också införas i mottagarspolen som upplever det magnetiska flödet som genereras av sändaren. Denna genererade spänning kommer att korrigeras, filtreras och regleras för att få en korrekt likspänning som är mycket nödvändig för systemkontrollen.

I vissa fall elimineras också ferritkärnan för att göra sändaren och mottagaren mer kompakt och lätt. Du kan se den här applikationen i trådlös mobiltelefonladdare och smartphonepar. Som vi alla vet branscher för närvarande konkurrerar hals mot hals för att släppa högpresterande smartphones och andra enheter som är lättare, smalare och svalare. Designarna får bokstavligen mardrömmar för att uppnå dessa funktioner utan att kompromissa med prestandan, så det är oacceptabelt att göra enheten skrymmande bara för trådlös kraftöverföring. Så designarna och tekniken kommer med mer smalare och lättare moduler som kan monteras i smartphones och surfplattor.

Här kan du se den interna konstruktionen av den senaste trådlösa laddaren.

Smarttelefonen med trådlös strömförmåga kommer också att ha en liknande spole för att möjliggöra den elektromagnetiska induktionen. Du kan se i figuren nedan hur den tunna spolen är fäst i den nedre änden av smarttelefonen nära batteriet. Du kan se hur ingenjörer designade den här trådlösa laddaren så tunn utan att kompromissa med dess prestanda. Arbetet med denna installation liknar det fall som diskuterats ovan förutom att det inte har någon ferritkärna i lindningens centrum.

Även om detta sätt att överföra kraft genom elektromagnetisk induktion verkar enkelt men det är inte jämförbart med en effektiv metod för att leverera ström genom kabeln.

Magnetresonansinduktionsbaserad trådlös kraftöverföring

Magnetresonansinduktion är en form av induktiv koppling där kraft överförs av magnetfält mellan två resonanskretsar (avstämda kretsar), en i sändaren och en i mottagaren. På grund av detta måste installationen av magnetisk resonansinduktionskrets vara mycket lik den induktiva kopplingskretsen som vi diskuterade tidigare.

Du kan se i denna figur, förutom närvaron av seriekondensatorer, liknar hela kretsen det tidigare fallet.

Arbetar: Arbetet med denna modell är också mycket likt det tidigare fallet förutom att kretsarna i sändaren och mottagaren är inställda för att fungera vid resonansfrekvensen. Kondensatorerna är seriekopplade med båda spolarna för att uppnå denna resonanseffekt.

Som vi alla vet kommer en kondensator i serie med en induktor att bilda en serie LC-krets som visas i figuren. Och värdet på frekvensen vid vilken denna krets kommer att fungera vid resonans kan ges som, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Här är L = induktansvärde och C = kondensatorvärde.

Genom att använda samma formel kommer vi att beräkna värdet på resonansfrekvensen för kraftöverförarkretsen och justera växelströmskällans frekvens till det beräknade värdet.

När källfrekvensen väl har justerats kommer sändarkretsen tillsammans med mottagarkretsen att fungera vid resonansfrekvensen. Efter detta måste en EMF induceras i mottagarkretsen enligt Faradays induktionslag som vi diskuterade i föregående fall. Och denna inducerade EMF kommer att korrigeras, filtreras och regleras för att få en ordentlig likspänning som visas i figuren.

Hittills diskuterade vi olika tekniker som kan användas för trådlös kraftöverföring tillsammans med deras typiska applikationskretsar. Och vi använder dessa metoder för att utveckla kretsar för alla trådlösa kraftöverföringssystem som trådlös laddare, trådlöst laddningssystem för elektriska fordon, trådlös kraftöverföring för drönare, flyg etc.

Trådlösa kraftöverföringsstandarder

Nu när varje företag utvecklar sina egna produktioner och laddstationer finns det ett behov av gemensamma standarder för alla utvecklare för att få konsumenten att välja det bästa bland det hav av val. Så ett par standarder följs av alla branscher som arbetar med att utveckla trådlösa kraftöverföringssystem.

Olika standarder som används för att utveckla trådlösa kraftöverföringsenheter som trådlös laddare:

"Qi" -standarder - av Wireless Power Consortium:

Teknik - induktiv, resonans - låg frekvens
Låg effekt - 5W, Medium Power - 15W, Qi Trådlösa köksapparater från 100W till 2,4kW
Frekvensomfång - 110 - 205 kHz
Produkter - 500+ produkter och används i mer än 60 mobiltelefonföretag

PMA-standarder - av Power Matter Alliance:

Teknik - induktiv, resonant - hög frekvens
Power Out Max från 3,5W till 50W
Frekvensområde - 277 - 357 kHz
Produkter - endast 2 men 1 100 000 mattor fördelas globalt

Fördelar med trådlös laddare

Den trådlösa laddaren är mycket användbar för laddning av hembaserade enheter som en smartphone, bärbar dator, iPod, bärbar dator, hörlurar etc.
Det ger ett bekvämt, säkert och effektivt sätt att överföra kraft utan medium.
Miljövänligt - skadar inte eller skadar en människa eller någon levande varelse.
Den kan användas för att ladda medicinska implantat, vilket resulterar i en förbättring av livskvaliteten och minskar risken för infektion.
Inget behov av vanliga bekymmer om slitaget på strömuttaget.
Fumlande över strömkabelns orientering är över med användning av trådlösa laddare.

Nackdelar med trådlös laddare

Mindre effektivitet och mer strömförlust.
Kostar mer än kabelladdaren.
Det är svårt att reparera felet.
Inte lämpligt för högeffektiv leverans.
Energiförlusterna ökar med belastningen.