- A vezeték nélküli töltőben használt különféle vezeték nélküli töltési technológia
- Mikrohullámú vezeték nélküli áramátvitel
- Lézerfény vezeték nélküli áramátvitel
- Vezeték nélküli erőátvitel induktív tengelykapcsolóval
- Mágneses rezonancia indukción alapuló vezeték nélküli áramátvitel
- Vezeték nélküli áramátviteli szabványok
Minden elektronikus rendszer vagy eszköz működéséhez elektromos áramra van szükség, függetlenül attól, hogy a falra szerelt váltóáramról vagy egy akkumulátorról van-e szó. Ez az elektromos energia nem tárolható végtelenül egyetlen újratölthető eszközben, például akkumulátorokban, kondenzátorokban vagy szuperkondenzátorokban. Tehát minden hordozható eszközt, például laptopot vagy mobiltelefont, csatlakoztatni kell a váltakozó áramú vezetékekhez, hogy rendszeresen töltse fel az akkumulátorokat.
Általában elektromos kábeleket használnak ezen újratölthető eszközök, például okostelefonok, táblagépek, fülhallgatók, Bluetooth hangszórók stb. AC-DC adapterekhez történő csatlakoztatásához. Magának az áramnak a felfedezése óta a legalapvetőbb és legnépszerűbb módja az elektromos vezetőkábeleknek az energia vagy az adatok két rendszer közötti átvitelére. És az emberek mindeddig örülnek az elektromos kábelek használatának, de a technika fejlődésével az emberi biztonság és az emberiség éhsége a szépség tökéletességéért vezet a vezeték nélküli áramátadás (WPT) vagy a vezeték nélküli energiaátvitel (WET) koncepciójához, amely már rég elveszett a történelemben. Néhány korábbi cikkünkben részletesen kifejtettük a vezeték nélküli energiaátvitelt, és felépítettünk egy áramkört is, amely vezeték nélkül továbbítja az áramot egy LED világításához.
Az első jelentős kísérleti alkalmazást a vezeték nélküli áramátadásra (WPT) az 1890-es évek elején Nikola Tesla feltaláló készítette. A kísérletek során az elektromos energiát induktív és kapacitív kapcsolással továbbítják szikra gerjesztett rádiófrekvenciás rezonáns transzformátorok segítségével, amelyeket ma Tesla tekercseknek hívnak. Bár ezek a kísérletek részben sikeresek, nem hatékonyak és nagy beruházásokat igényelnek. Később ezeket a kísérleteket elvetik, és a technológiai tanulmányok sok éven át stagnálnak. Építettünk egy mini tesla tekercset is, hogy bemutassuk a Tesla tekercsek koncepcióját.
Bár még mindig nincs hatékony módszer a nagy teljesítmény vezeték nélküli leadására, lehetséges a jelenlegi technológiai fejlődéssel megtervezni egy áramkört, hogy hatékonyan továbbítsák az alacsony energiát két rendszer között. A vezeték nélküli töltők ezen az újonnan kifejlesztett áramkörön alapulnak, amely lehetővé teszi az okostelefonok és más kis elektronikus eszközök vezeték nélküli áramellátását.
A vezeték nélküli töltőben használt különféle vezeték nélküli töltési technológia
Amióta a vezeték nélküli áramátvitel koncepciója népszerűvé vált, mind a tudósok, mind a mérnökök különböző módszereket találtak ki ennek a koncepciónak a megvalósítására. Bár e kísérletek többsége kudarcokhoz vagy nem praktikus eredményekhez vezetett, ezek közül a kísérletek közül kevesen eredményeztek kielégítő eredményeket. A vezeték nélküli áramátadás elérésének ezen bevált és alkalmazott módszereinek megvannak a maga előnyei, hátrányai és jellemzői. E különféle módszerek közül csak párat alkalmaznak a vezeték nélküli töltők tervezésénél. Míg más módszereknek megvan a maga alkalmazási területe és előnyei.
A jobb megértés érdekében ezeket a módszereket az átviteli távolság, a maximális teljesítmény és az erőátvitel elérésére használt módszer alapján osztályozzák. Az alábbi ábrán a vezeték nélküli energiaátviteli technológia megvalósításának különböző módjait és azok osztályozását láthatjuk.
Itt,
- Az első és legfontosabb osztályozás azon alapszik, hogy meddig lehetséges az energiaátadás. A kísérletezett módszerekben egyesek vezeték nélkül képesek energiát juttatni nagy távolságra lévő rakományokhoz, míg mások csak néhány centiméterre vannak a forrástól. Tehát az első felosztás azon alapszik, hogy a módszer Near Field vagy Far Field.
- A távolságbeli különbség a jelenség típusán alapul, amelyet különféle módszerek használnak a vezeték nélküli áramátadás elérésére. Például, ha az áramellátáshoz használt módszer közeg elektromágneses indukció, akkor a maximális távolság legfeljebb 5 cm lehet. Ennek oka, hogy a mágneses fluxus vesztesége exponenciálisan növekszik a forrás és a terhelés közötti távolság növekedésével, ami elfogadhatatlan teljesítményveszteséghez vezet. Másrészt, ha a módszer által az áram leadására használt közeg elektromágneses sugárzásakkor a maximális távolság néhány méter magasra is megmehet. Ennek oka, hogy az EMR koncentrálható egy olyan fókuszpontig, amely a forrástól néhány méterre van. Emellett azok a módszerek, amelyek az EMR-t közegként használják az energia leadására, másokkal összehasonlítva nagyobb hatékonysággal rendelkeznek.
- A fent említett sok szempontból egyesek népszerűbbek, mint mások, és a széles körben alkalmazott népszerű módszereket az alábbiakban tárgyaljuk.
A vezeték nélküli energiaátvitelnek két népszerű módja van, amelyek elektromágneses sugárzást használnak közepes formában - mikrohullámú és lézer / fény teljesítmény
Mikrohullámú vezeték nélküli áramátvitel
Mivel maga a név adja át ebben a módszerben, az EMR mikrohullámú spektrumát használja a terheléshez szükséges energia leadására. Először az adó az áramot egy konnektorból vagy bármely más stabil áramforrásból veszi, majd ezt a váltakozó áramot a szükséges szintre állítja. Ezt követően az átvitt energia mikrohullámokat generál e szabályozott tápegység fogyasztásával. A mikrohullámok megszakítás nélkül haladnak a levegőn, hogy elérjék a vevőt vagy a terhelést. A vevőt megfelelő eszközökkel fogják felvenni a mikrohullámú sugárzást és elektromos energiává alakítani. Ez az átalakított elektromos teljesítmény egyenesen arányos a vevőhöz elért mikrohullámú sugárzás mennyiségével, és így a mikrohullámú sugárzást használó vezeték nélküli áramátadás érhető el.
Lézerfény vezeték nélküli áramátvitel
Bárkinek, aki elektronikával és villamos energiával foglalkozik, találkoznia kellett a napenergia-termelés nevű koncepcióval. És ha jól emlékszik, a napenergia-termelés fogalma nem más, mint a nap elektromágneses sugárzása a villamos energia előállításához. Ez az átalakítási folyamat alapulhat napelemes rendszereken, napelemes fűtésen vagy bármi máson, és napelemes töltőkészülék egyszerűen felépíthető napelemek segítségével. De a legfontosabb kérdés itt a nap által a földre továbbított energia elektromágneses sugárzás formájában van, és kifejezetten a látható spektrumban van, és az energiaátadás itt vezeték nélkül történik. Ezért a napenergia-termelés koncepciója egy mega vezeték nélküli áramátviteli rendszer.
Ha a napot kicseréljük egy kisebb EMR generátorra (vagy egyszerűen egy fényforrásra), akkor a keletkező sugárzást egy olyan terhelésre tudjuk fókuszálni, amely több száz méterre van a fényforrástól. Amint ez a fókuszált fény eléri a vevőmodul napelemét (vagy terhelését), a fényenergiát elektromos energiává alakítja, ami a vezeték nélküli energiaátvitel beállításának eredeti célja.
Eddig olyan technikákat vagy módszereket vitattunk meg, amelyek képesek a terhelésre energiát leadni, amely néhány méterre van a forrástól. Bár ezek a technikák képesek távolságra, nagy terjedelműek és költségesek, így nem alkalmasak a mobil töltő tervezésére. A vezeték nélküli töltők tervezésénél a legpraktikusabb módszerek az „ Induktív tengelykapcsoló típusa” és a „ Mágneses rezonancia indukció ”. Ez a két módszer használja a Faradays-féle elektromágneses indukció törvényét mint elvet, és a mágneses fluxust terjedő jelenségként a vezeték nélküli energiaátvitel elérése érdekében.
Vezeték nélküli erőátvitel induktív tengelykapcsolóval
Az induktív tengelykapcsolónál alkalmazott beállítás nagyon hasonló az elektromos transzformátorhoz használthoz. A jobb megértés érdekében vizsgáljuk meg az Induktív Csatlakozás Vezeték nélküli Átviteli módszer tipikus alkalmazási áramkörét.
- A fenti funkcionális ábrán két szakasz áll rendelkezésünkre: az egyik az elektromos erőátvitel beállítása, a másik pedig az elektromos teljesítményvevő beállítása.
- Mindkét szakasz elektromosan el van szigetelve egymástól, és néhány centiméter szélességű szigetelővel vannak elválasztva. Bár mindkét szakasznak nincs elektromos interakciója, mégis van közöttük mágneses csatolás.
- Az adómodulban lévő váltakozó feszültségforrás az egész rendszert táplálja.
Az induktív tengelykapcsoló típusú vezeték nélküli átvitel működése : Kezdetektől kezdve a vezetőtekercsben áramáram van jelen az adómodulban, mivel váltóáramú feszültségforrás van csatlakoztatva a tekercs végkapcsaihoz. Ezen áramlás miatt mágneses mezőt kell létrehozni a tekercs vezetői körül, amely szorosan fel van tekerve egy ferritmag körül. Egy közeg jelenléte miatt a tekercs összes mágneses fluxusa a ferritmagra koncentrálódik. Ez a fluxus a ferritmag tengelye mentén mozog, és az ábra szerint az átviteli modulon kívüli szabad térbe kerül.
Most, ha a vevőmodult az adó közelében helyezzük el, akkor az adó által kibocsátott mágneses fluxus levágja a vevőmodulban lévő tekercset. Mivel az adómodul által generált fluxus változó fluxusú, akkor az EMF-et be kell indukálni a vezetőbe, amelyet a Faradays-féle elektromágneses indukciós törvény szerint a tartományába hoztak. Ezen elmélet alapján egy EMF-et is be kell vezetni a vevőtekercsbe, amely az adó által generált mágneses fluxust tapasztalja. Ezt az előállított feszültséget kijavítják, szűrik és szabályozzák, hogy megfelelő egyenfeszültséget kapjanak, amelyre nagy szükség van a rendszervezérlőhöz.
Bizonyos esetekben a ferritmag is megszűnik, hogy az adó és a vevő kompaktabb és könnyebb legyen. Ezt az alkalmazást a vezeték nélküli mobiltelefon-töltőben és az okostelefon-párban láthatja. Mivel jelenleg mindannyian ismerjük az iparágakat, nyaktól nyakig versenyeznek a nagy teljesítményű okostelefonok és más könnyebb, karcsúbb és hűvösebb eszközök kiadása érdekében. A tervezők szó szerint rémálmokat éreznek, hogy elérjék ezeket a funkciókat a teljesítmény veszélyeztetése nélkül, ezért elfogadhatatlan, hogy a készüléket csak a vezeték nélküli áramátvitel érdekében terebélyesedjék. Tehát a tervezők és a mérnökök karcsúbb és könnyebb modulokkal állnak elő, amelyek illeszthetők az okostelefonokba és táblagépekbe.
Itt láthatja a legújabb vezeték nélküli töltő belső felépítését.
A vezeték nélküli áramellátási képességgel rendelkező okostelefonnak hasonló tekercse lesz az elektromágneses indukció lehetővé tétele érdekében. Az alábbi ábrán láthatja, hogyan van rögzítve a vékony tekercs az okostelefon alsó végén az akkumulátor közelében. Láthatja, hogy a mérnökök miként tervezték meg ezt a vezeték nélküli töltőt olyan vékonyan, anélkül, hogy kompromisszumok lennének a teljesítményében. Ennek a beállításnak a működése hasonló a fent tárgyalt esethez, azzal a különbséggel, hogy a tekercs közepén nincs ferritmag.
Noha az elektromágneses indukció útján történő energiaátadásnak ez a módja egyszerűnek tűnik, de ez nem hasonlítható össze a kábelen keresztüli áramellátás hatékony módszerével.
Mágneses rezonancia indukción alapuló vezeték nélküli áramátvitel
A mágneses rezonancia indukció az induktív kapcsolás egy olyan formája, amelyben az erőt mágneses mezők adják át két rezonáns áramkör (hangolt áramkör) között, egy az adóban és egy a vevőben. Emiatt a mágneses rezonáns indukciós áramkör beállításának nagyon hasonlónak kell lennie az induktív kapcsoló áramkörhöz, amelyet korábban tárgyaltunk.
Ezen az ábrán látható, kivéve a soros kondenzátorok jelenlétét, az egész áramkör hasonló az előző esethez.
Működés: Ennek a modellnek a működése is nagyon hasonlít az előző esethez, kivéve, hogy az adóban és a vevőben lévő áramköröket úgy hangolják, hogy a rezonancia frekvencián működjenek. A kondenzátorok speciálisan sorba vannak kötve mindkét tekerccsel, hogy elérjék ezt a rezonáns hatást.
Mint mindannyian tudjuk, hogy egy kondenzátor egy sor induktorral egy soros LC áramkört képez, amint az ábra mutatja. És annak a frekvenciának az értékét adhatjuk meg, amelynél ez az áramkör rezonancián fog működni, F r = 1 / 2ᴫ (LC) 1/2
Itt L = induktivitás értéke és C = kondenzátor értéke.
Ugyanezen képlet alkalmazásával kiszámítjuk a távadó áramkörének rezonáns frekvenciájának értékét, és az AC áramforrás frekvenciáját ehhez a számított értékhez igazítjuk.
Miután beállította a forrás frekvenciáját, akkor az adó áramkör és a vevő áramkör a rezonancia frekvencián fog működni. Ezt követően egy EMF-et kell indukálni a vevő áramkörében a Faradays Indukciós Törvény szerint, amint azt az előző esetben tárgyaltuk. Ezt az indukált EMF-et kijavítjuk, szűrjük és szabályozzuk, hogy megfelelő DC feszültséget kapjunk, amint az ábra mutatja.
Eddig különféle technikákat vitattunk meg, amelyek a vezeték nélküli energiaátvitelhez használhatók, a tipikus alkalmazási áramkörökkel együtt. Ezeket a módszereket használjuk áramkörök kifejlesztéséhez az összes vezeték nélküli erőátviteli rendszerhez, például vezeték nélküli töltőhöz, vezeték nélküli elektromos jármű töltőrendszerhez, vezeték nélküli áramátadáshoz drónokhoz, repülőgépekhez stb.
Vezeték nélküli áramátviteli szabványok
Most, hogy minden vállalat saját gyártását és töltőállomásait fejleszti, minden fejlesztőnek közös szabványokra van szükség annak érdekében, hogy a fogyasztók a legjobbat válasszák a választási óceán közül. Tehát néhány szabványt követ minden iparág, amely a vezeték nélküli áramátviteli rendszerek fejlesztésén dolgozik.
A vezeték nélküli áramátadó eszközök, például a vezeték nélküli töltő kifejlesztésére használt különféle szabványok:
„Qi” szabványok - a Wireless Power Consortium által:
- Technológia - induktív, rezonáns - alacsony frekvenciájú
- Alacsony teljesítmény - 5 W, közepes teljesítmény - 15 W, Qi vezeték nélküli konyhai készülékek 100 W-tól 2,4 kW-ig
- Frekvenciatartomány - 110 - 205 kHz
- Termékek - 500+ termék, és több mint 60 mobiltelefon-vállalatnál használják
„PMA” szabványok - Power Matter Alliance:
- Technológia - induktív, rezonáns - nagy frekvenciájú
- Kimenet max. 3,5 W-tól 50 W-ig
- Frekvenciatartomány - 277 - 357 kHz
- Termékek - csak 2, de 1 000 000 szőnyegegységet forgalmaznak világszerte
A vezeték nélküli töltő előnyei
- A vezeték nélküli töltő nagyon hasznos otthoni eszközök, például okostelefon, laptop, iPod, notebook, fülhallgató stb. Töltésére,
- Kényelmes, biztonságos és hatékony módot kínál az áram bármilyen közeg nélküli átadására.
- Környezetbarát - Nem árt és nem károsít embert vagy élőlényt.
- Orvosi implantátumok töltésére használható, ami javítja az életminőséget és csökkenti a fertőzés kockázatát.
- Nem kell különösebben aggódnia a tápcsatlakozó kopása miatt.
- A vezeték nélküli töltők használatával véget ér a tápkábel tájolásának átgondolása.
A vezeték nélküli töltő hátrányai
- Kevesebb hatékonyság és nagyobb energiaveszteség.
- Többe kerül, mint a kábeltöltő.
- A hiba javítása nehéz.
- Nem alkalmas nagy teljesítményű szállításra.
- Az energiaveszteség terheléssel növekszik.