Dažāda veida bezvadu enerģijas pārvades tehnoloģijas un to darbība

Katrai elektroniskajai sistēmai vai ierīcei darbībai nepieciešama elektroenerģija, neatkarīgi no tā, vai tā ir no sienas piestiprināta maiņstrāvas avota vai akumulatora. Šo elektrisko enerģiju nevar bezgalīgi uzglabāt nevienā uzlādējamā ierīcē, piemēram, baterijās, kondensatoros vai superkondensatoros. Tāpēc visas portatīvās ierīces, piemēram, klēpjdatori vai mobilie tālruņi, ir jāpievieno maiņstrāvas līnijām, lai regulāri uzlādētu akumulatorus.

Parasti šo uzlādējamo ierīču, piemēram, viedtālruņu, planšetdatoru, austiņu, Bluetooth skaļruņu utt., Pievienošanai maiņstrāvas-līdzstrāvas adapteriem tiek izmantoti elektriskie kabeļi. Elektronisko vadītāju kabeļu izmantošana enerģijas vai datu pārsūtīšanai starp divām sistēmām ir pats vienkāršākais un populārākais veids kopš pašas elektrības atklāšanas. Cilvēki līdz šim ir laimīgi, izmantojot elektriskos kabeļus, taču, attīstoties tehnoloģijām, cilvēku drošība un cilvēces izsalkuma pēc skaistuma pilnveidošanās noved pie bezvadu enerģijas pārraides (WPT) vai bezvadu enerģijas pārraides (WET) koncepcijas, kas jau sen ir pazudusi vēsturē. Dažos no mūsu iepriekšējiem rakstiem mēs esam detalizēti izskaidrojuši bezvadu enerģijas pārraidi un arī izveidojuši shēmu, lai bezvadu pārsūtītu Power, lai mirdzētu LED.

Pirmo ievērojamo bezvadu enerģijas pārraides (WPT) eksperimentālo lietojumu 1890. gadu sākumā veica izgudrotājs Nikola Tesla. Eksperimentu laikā elektrisko jaudu pārraida ar induktīvo un kapacitatīvo savienojumu, izmantojot dzirksteles ierosinātos radiofrekvenču rezonanses transformatorus, kurus tagad sauc par Tesla spolēm. Lai gan šie eksperimenti ir daļēji veiksmīgi, tie nav efektīvi un prasa lielus ieguldījumus. Tātad vēlāk šie eksperimenti tiek izbeigti, un tehnoloģiju pētījums daudzu gadu garumā tika stagnēts. Mēs esam uzbūvējuši arī mini tesla spoli, lai parādītu Tesla ruļļu koncepciju.

Lai arī pat tagad nav efektīvs veids, kā bezvadu režīmā piegādāt lielu jaudu, ir iespējams izveidot ķēdi ar pašreizējiem tehnoloģiskajiem sasniegumiem, lai efektīvi pārsūtītu mazu jaudu starp divām sistēmām. Bezvadu lādētāji ir veidoti, pamatojoties uz šo jaunizveidoto shēmu, kas ļauj bezvadu režīmā piegādāt enerģiju viedtālruņiem un citām mazām elektroniskām ierīcēm.

Dažāda bezvadu lādēšanas tehnoloģija, ko izmanto bezvadu lādētājā

Kopš bezvadu enerģijas pārvades koncepcijas popularitātes gūšanas gan zinātnieki, gan inženieri izdomāja dažādus veidus, kā realizēt šo koncepciju. Lai gan lielākā daļa šo eksperimentu noveda pie neveiksmēm vai nepraktiskiem rezultātiem, daži no šiem eksperimentiem deva apmierinošus rezultātus. Šiem pārbaudītajiem un izmantotajiem veidiem, kā panākt bezvadu enerģijas pārraidi, ir savas priekšrocības, trūkumi un funkcijas. Starp šīm dažādajām metodēm bezvadu lādētāju projektēšanā tiek izmantoti tikai pāris. Kaut arī citām metodēm ir sava pielietojuma joma un priekšrocības.

Tagad, lai labāk izprastu, šīs metodes tiek klasificētas, pamatojoties uz pārraides attālumu, maksimālo jaudu un metodi, ko izmanto enerģijas pārraides sasniegšanai. Zemāk redzamajā attēlā mēs varam redzēt dažādus veidus, kā izmantot bezvadu enerģijas pārvades tehnoloģiju, un to klasifikāciju.

Šeit,

• Pirmā un vissvarīgākā klasifikācija ir balstīta uz to, cik tālu ir iespējama enerģijas pārsūtīšana. Eksperimentētajās metodēs daži spēj bez maksas piegādāt enerģiju kravām lielā attālumā, bet citi strāvu var piegādāt tikai dažu centimetru attālumā no avota. Tātad pirmais sadalījums ir balstīts uz to, vai metode ir tuvā lauka vai tālā lauka.
• Attāluma iespējas atšķiras atkarībā no parādības veida, ko izmanto dažādas metodes, lai panāktu bezvadu enerģijas pārraidi. Piemēram, ja barošanas avota metode, ko izmanto enerģijas piegādei, ir elektromagnētiskā indukcija, tad maksimālais attālums nedrīkst būt lielāks par 5 cm. Tas ir tāpēc, ka magnētiskās plūsmas zudums palielinās eksponenciāli, palielinoties attālumam starp avotu un slodzi, kas noved pie nepieņemamiem jaudas zudumiem. No otras puses, ja barošanas avots, ko izmanto ar metodi, ir elektromagnētiskais starojumstad maksimālais attālums var pārsniegt dažus metrus. Tas ir tāpēc, ka EMR var koncentrēt uz kontaktpunktu, kas atrodas metru attālumā no avota. Arī metodēm, kas izmanto EMR kā barotni enerģijas piegādei, ir lielāka efektivitāte, salīdzinot ar citām.
• Daudzos iepriekš minētajos veidos daži ir populārāki nekā citi, un plaši izmantotās populārās metodes ir aplūkotas turpmāk.

Ir divas populāras bezvadu enerģijas pārraides metodes, kurās elektromagnētisko starojumu izmanto kā vidēju - mikroviļņu jauda un lāzera / gaismas jauda.

Mikroviļņu bezvadu barošanas pārsūtīšana

Tā kā nosaukums pats to atmet šajā metodē, tas izmantos EMR mikroviļņu spektru, lai piegādātu jaudu. Pirmkārt, raidītājs uzņems strāvu no kontaktligzdas vai jebkura cita stabilā strāvas avota un pēc tam regulēs šo maiņstrāvas enerģiju līdz vajadzīgajam līmenim. Pēc tam pārraidītā enerģija ģenerēs mikroviļņus, patērējot šo regulēto barošanas avotu. Mikroviļņi pārvietojas pa gaisu bez pārtraukumiem, lai sasniegtu uztvērēju vai slodzi. Uztvērējs būs aprīkots ar atbilstošām ierīcēm, lai uztvertu šo mikroviļņu starojumu un pārveidotu to par elektrisko enerģiju. Šī pārveidotā elektriskā jauda ir tieši proporcionāla uztvērējam sasniegtajam mikroviļņu starojuma daudzumam, un tādējādi tiek panākta bezvadu enerģijas pārnešana, izmantojot mikroviļņu starojumu.

Lāzera gaismas bezvadu jaudas pārsūtīšana

Jebkurai personai, kas nodarbojas ar elektroniku un elektrisko enerģiju, būtu bijis jāsaskaras ar koncepciju, ko sauc par saules enerģijas ražošanu. Un, ja jūs pareizi atceraties, saules enerģijas ražošanas jēdziens nav nekas cits kā saules elektromagnētiskā starojuma izmantošana saražotajai elektrībai. Šis pārveidošanas process var būt balstīts uz saules paneļu sistēmām, saules sildīšanu vai jebkuru citu, un saules enerģijas lādētāju var viegli izveidot, izmantojot saules paneļus. Bet galvenais jautājums šeit ir saules pārnestā enerģija uz zemi elektromagnētiskā starojuma veidā un ir tieši redzamajā spektrā, un enerģijas pārnešana šeit notiek bezvadu režīmā. Tādējādi saules enerģijas ražošanas jēdziens pats par sevi ir mega bezvadu enerģijas pārvades sistēma.

Tagad, ja mēs nomainām sauli ar mazāku EMR ģeneratoru (vai vienkārši ar gaismas avotu), tad radīto starojumu varam koncentrēt uz slodzi, kas atrodas simtiem metru attālumā no gaismas avota. Kad šī fokusētā gaisma sasniedz uztvērēja moduļa (vai slodzes) saules paneli, tā gaismas enerģiju pārvērš par elektroenerģiju, kas ir bezvadu enerģijas pārraides iestatīšanas sākotnējais mērķis.

Līdz šim mēs apspriedām paņēmienus vai metodes, kas spēj piegādāt enerģiju slodzei, kas atrodas dažu metru attālumā no avota. Lai gan šīm metodēm ir attāluma iespējas, tās ir apjomīgas un dārgas, tāpēc tās nav piemērotas mobilā lādētāja dizainam. Vispraktiskākās metodes, ko var izmantot bezvadu lādētāju projektēšanai, ir “ Induktīvā savienojuma veids” un “ Magnētiskās rezonanses indukcija ”. Šīs ir divas metodes, kas izmanto Faradejas elektromagnētiskās indukcijas likumu kā principu un magnētisko plūsmu kā izplatīšanās parādību, lai panāktu bezvadu enerģijas pārraidi.

Bezvadu enerģijas pārraide, izmantojot induktīvo savienojumu

Induktīvajā sakabē izmantotais iestatījums ir ļoti līdzīgs iestatījumam, ko izmanto elektriskajam transformatoram. Lai labāk izprastu, apskatīsim induktīvās savienošanas bezvadu jaudas pārsūtīšanas metodes tipisko lietojuma shēmu.

• Iepriekš minētajā funkcionālajā diagrammā mums ir divas sadaļas, no kurām viena ir elektriskās jaudas pārraides iestatīšana, bet otra - elektriskās strāvas uztvērēja iestatīšana.
• Abas sekcijas ir savstarpēji elektriski izolētas un atdalītas ar pāris centimetru platuma izolatoru. Lai gan abām sekcijām nav elektriskas mijiedarbības, tomēr starp tām ir magnētiska sakabe.
• Raidītāja modulī esošais maiņstrāvas sprieguma avots nodrošina strāvas padevi visai sistēmai.

Induktīvās sakabes tipa bezvadu pārraides darbība: Sākotnēji raidītāja modulī strāvas plūsma vadītāja spolē atrodas, jo spoles gala spailēm ir pievienots maiņstrāvas sprieguma avots. Šīs strāvas plūsmas dēļ ap spoles vadītājiem, kas ir cieši savīti ap ferīta serdi, būtu jāveido magnētiskais lauks. Barotnes klātbūtnes dēļ visa spoles magnētiskā plūsma koncentrējas uz ferīta serdi. Šī plūsma pārvietojas pa ferīta kodola asi un tiek izmesta brīvajā telpā ārpus pārraides moduļa, kā parādīts attēlā.

Ja mēs novedīsim uztvērēja moduli netālu no raidītāja, tad raidītāja izstarotā magnētiskā plūsma sagriezīs uztvērēja modulī esošo spoli. Tā kā raidītāja moduļa radītajai plūsmai ir atšķirīga plūsma, tad EMF ir jāinducē vadītājā, kas tiek ievests tā diapazonā saskaņā ar Faradejas elektromagnētiskās indukcijas likumu. Pamatojoties uz šo teoriju, uztvērēja spolē, kas piedzīvo raidītāja radīto magnētisko plūsmu, ir jāievada arī EML. Šis ģenerētais spriegums tiks izlīdzināts, filtrēts un regulēts, lai iegūtu pareizu līdzstrāvas spriegumu, kas ir ļoti nepieciešams sistēmas kontrolierim.

Dažos gadījumos ferīta serde tiek arī izslēgta, lai raidītājs un uztvērējs būtu kompakts un viegls. Šo lietojumprogrammu var redzēt bezvadu mobilā tālruņa lādētājā un viedtālruņu pārī. Tā kā mēs visi šobrīd zinām nozares, kas konkurē no kakla līdz kaklam, lai atbrīvotu augstas veiktspējas viedtālruņus un citas ierīces, kas ir vieglākas, plānākas un vēsākas. Dizaineriem burtiski ir murgi, lai sasniegtu šīs funkcijas, neapdraudot veiktspēju, tāpēc ir nepieņemami padarīt ierīci lielgabarīta tikai bezvadu enerģijas pārraides labad. Tāpēc dizaineri un inženieri nāk klajā ar plānākiem un vieglākiem moduļiem, kurus var ievietot viedtālruņos un planšetdatoros.

Šeit jūs varat redzēt jaunākā bezvadu lādētāja iekšējo konstrukciju.

Viedtālrunim ar bezvadu barošanas iespēju būs arī līdzīga spole, lai padarītu iespējamu elektromagnētisko indukciju. Zemāk redzamajā attēlā varat redzēt, kā plānā spole ir piestiprināta viedtālruņa apakšējā galā netālu no akumulatora. Jūs varat redzēt, kā inženieri ir izstrādājuši šo bezvadu lādētāju tik plānu, nemazinot tā veiktspēju. Šīs iestatīšanas darbība ir līdzīga iepriekš apspriestajam gadījumam, izņemot to, ka tinuma centrā tai nav ferīta kodola.

Lai gan šāds enerģijas pārraides veids, izmantojot elektromagnētisko indukciju, šķiet viegls, taču tas nav salīdzināms ar efektīvu enerģijas padeves pa kabeli metodi.

Uz magnētiskās rezonanses indukcijas balstīta bezvadu enerģijas pārvade

Magnētiskās rezonanses indukcija ir induktīvās sakabes forma, kurā jauda tiek pārnesta ar magnētiskajiem laukiem starp divām rezonanses ķēdēm (noregulētām ķēdēm), vienu raidītājā un otru uztvērējā. Tāpēc magnētiskās rezonanses indukcijas ķēdes iestatījumam jābūt ļoti līdzīgam iepriekš apspriestajai induktīvās savienošanas ķēdei.

Šajā attēlā var redzēt, izņemot virknes kondensatoru klātbūtni, visa ķēde ir līdzīga iepriekšējam gadījumam.

Darbs: Šī modeļa darbība ir ļoti līdzīga iepriekšējam gadījumam, izņemot to, ka raidītājā un uztvērējā esošās ķēdes ir noregulētas darbībai ar rezonanses frekvenci. Kondensatori ir speciāli sērijveidā savienoti ar abām spolēm, lai panāktu šo rezonanses efektu.

Tā kā mēs visi zinām, ka kondensators virknē ar induktoru veidos virknes LC ķēdi, kā parādīts attēlā. Un frekvences vērtību, kurā šī ķēde darbosies rezonansē, var norādīt kā:

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Šeit L = induktora vērtība un C = kondensatora vērtība.

Izmantojot to pašu formulu, mēs aprēķināsim jaudas raidītāja ķēdes rezonanses frekvences vērtību un pielāgosim maiņstrāvas avota frekvenci šai aprēķinātajai vērtībai.

Kad avota frekvence ir noregulēta, raidītāja ķēde kopā ar uztvērēja ķēdi darbosies ar rezonanses frekvenci. Pēc tam uztvērēja ķēdē jāizraisa EMF saskaņā ar Faradays Indukcijas likumu, kā mēs to apspriedām iepriekšējā gadījumā. Un šis izraisītais EML tiks izlabots, filtrēts un regulēts, lai iegūtu pareizu līdzstrāvas spriegumu, kā parādīts attēlā.

Līdz šim mēs apspriedām dažādas metodes, kuras var izmantot bezvadu enerģijas pārraidei, kā arī to tipiskās lietojuma shēmas. Mēs izmantojam šīs metodes, lai izstrādātu ķēdes visām bezvadu enerģijas pārvades sistēmām, piemēram, bezvadu lādētājam, bezvadu elektrisko transportlīdzekļu uzlādes sistēmai, bezvadu bezvadu jaudas pārsūtīšanai bezpilota lidaparātiem, lidmašīnām utt.

Bezvadu enerģijas pārvades standarti

Tagad, kad katrs uzņēmums izstrādā savu produkciju un uzlādes stacijas, visiem izstrādātājiem ir nepieciešami kopīgi standarti, lai patērētājs liktu izvēlēties labāko starp izvēlēto okeānu. Tātad visas nozares, kas strādā pie bezvadu enerģijas pārvades sistēmu izstrādes, ievēro pāris standartus.

Dažādi standarti, ko izmanto bezvadu enerģijas pārraides ierīču, piemēram, bezvadu lādētāja, izstrādei:

“Qi” standarti - bezvadu enerģijas konsorcijs:

• Tehnoloģija - induktīva, rezonanses - zema frekvence
• Zema jauda - 5W, vidēja jauda - 15W, Qi bezvada virtuves tehnika no 100W līdz 2,4kW
• Frekvenču diapazons - 110 - 205 kHz
• Produkti - 500+ produkti un izmantoti vairāk nekā 60 mobilo tālruņu uzņēmumos

“PMA” standarti - Power Matter Alliance:

• Tehnoloģija - induktīva, rezonanses - augsta frekvence
• Izejas maksimums no 3,5 W līdz 50 W
• Frekvenču diapazons - 277 - 357 kHz
• Produkti - tikai 2, bet 1 000 000 jaudas paklāju vienības tiek izplatītas visā pasaulē

Bezvadu lādētāja priekšrocības

• Bezvadu lādētājs ir ļoti noderīgs, lai uzlādētu mājas ierīces, piemēram, viedtālruni, klēpjdatoru, iPod, piezīmjdatoru, austiņas utt.
• Tas nodrošina ērtu, drošu un efektīvu enerģijas pārsūtīšanas veidu bez jebkāda nesēja.
• Videi draudzīgs - nekaitē vai ievaino cilvēku vai dzīvu būtni.
• To var izmantot, lai uzlādētu medicīniskos implantus, kas uzlabo dzīves kvalitāti un samazina infekcijas risku.
• Parasti nav jāuztraucas par strāvas ligzdas nodilumu.
• Izmantojot bezvadu lādētājus, ir pārtrūkusi strāvas kabeļa orientācija.

Bezvadu lādētāja trūkumi

• Mazāka efektivitāte un vairāk enerģijas zudumu.
• Izmaksā vairāk nekā kabeļu lādētājs.
• Bojājuma novēršana ir sarežģīta.
• Nav piemērots lielas enerģijas piegādei.
• Enerģijas zudumi palielinās līdz ar slodzi.