Ulike typer trådløs kraftoverføringsteknologi og hvordan de fungerer

Hvert elektronisk system eller utstyr trenger elektrisk strøm for å fungere, enten det kommer fra den inngjerdede strømforsyningen eller et batteri. Denne elektriske strømmen kan ikke lagres uendelig i noen oppladbare enheter som batterier, kondensatorer eller superkondensatorer. Så alle bærbare enheter som bærbare datamaskiner eller mobiltelefoner er nødvendig for å være koblet til vekselstrømledninger for å lade batteriene regelmessig.

Vanligvis brukes elektriske kabler for å koble disse ladbare enhetene som smarttelefoner, nettbrett, øretelefoner, Bluetooth-høyttalere osv. Til AC-DC-adaptere. Å bruke elektroniske ledningskabler for å overføre strøm eller data mellom to systemer er den mest grunnleggende og populære måten siden oppdagelsen av selve strømmen. Og folk er glade for å bruke elektriske kabler inntil nå, men med fremskritt innen teknologi, menneskelig sikkerhet og menneskehetens sult etter perfeksjon i skjønnhet fører til begrepene Trådløs kraftoverføring (WPT) eller trådløs energioverføring (WET) i bildet som lenge er tapt i historien. I noen av de tidligere artiklene våre har vi forklart trådløs kraftoverføring i detalj og også bygd en krets for trådløs overføring av kraften for å lyse en LED.

Den første betydelige eksperimentelle applikasjonen for trådløs kraftoverføring (WPT) ble gjort tidlig på 1890-tallet av oppfinneren Nikola Tesla. Under eksperimentene overføres elektrisk kraft ved induktiv og kapasitiv kobling ved hjelp av gnist-eksiterte radiofrekvente resonans-transformatorer, nå kalt Tesla-spoler. Selv om disse eksperimentene er delvis vellykkede, er de ikke effektive og krever høye investeringer. Så senere blir disse eksperimentene skrotet og teknologistudien ble stagnert i mange år. Vi har også bygget en mini-tesla-spole for å demonstrere konseptet med Tesla-spoler.

Selv om det nå ikke er noen effektiv måte å levere høy effekt trådløst på, er det mulig å designe en krets med de nåværende teknologiske fremskrittene for effektivt å overføre lav effekt mellom to systemer. Og trådløse ladere er designet basert på denne nyutviklede kretsen som gjør det mulig å levere strøm til smarttelefoner og andre små elektroniske enheter trådløst.

Ulike trådløs ladeteknologi som brukes i trådløs lader

Helt siden konseptet med trådløs kraftoverføring ble populært kom både forskere og ingeniører på forskjellige måter å realisere dette konseptet på. Selv om de fleste av disse eksperimentene førte til feil eller upraktiske resultater, ga få av disse eksperimentene tilfredsstillende resultater. Disse testede og arbeidsmåtene for å oppnå trådløs kraftoverføring har sine egne fordeler, ulemper og funksjoner. Blant disse forskjellige metodene brukes bare et par til å designe trådløse ladere. Mens andre metoder har sitt eget bruksområde og fordeler.

Nå for bedre forståelse, klassifiseres disse metodene basert på overføringsavstand, maksimal effekt og metode som brukes for å oppnå kraftoverføring. I figuren nedenfor kan vi se forskjellige måter som brukes for å oppnå trådløs kraftoverføringsteknologi og deres klassifisering.

Her,

Den første og viktigste klassifiseringen er basert på hvor langt kraftoverføring er mulig. I de eksperimenterte metodene er noen i stand til å levere strøm trådløst til laster i stor avstand unna, mens andre bare kunne levere strøm til laster bare noen få centimeter unna kilden. Så den første divisjonen er basert på om metoden er av Near Field eller Far Field.
Forskjellen i avstandskapasitet kommer basert på typen fenomen som brukes av forskjellige metoder for å oppnå trådløs kraftoverføring. For eksempel, hvis mediet som brukes av metoden for å levere kraft er elektromagnetisk induksjon, kan den maksimale avstanden ikke være høyere enn 5 cm. Dette skyldes at tapet av magnetisk flux øker eksponentielt med en økning i avstanden mellom kilde og belastning som fører til uakseptable effekttap. På den annen side, hvis mediet som brukes av metoden for å levere kraft er elektromagnetisk strålingda kan maks avstand gå så høyt noen få meter. Dette er fordi EMR kan konsentreres til et fokuspunkt som er meter unna kilden. Også metoder som bruker EMR som medium for å levere kraft har høyere effektivitet sammenlignet med andre.
På de mange måtene som er nevnt ovenfor, er noen mer populære enn andre, og de populære metodene som brukes mye er diskutert nedenfor.

Det er to populære metoder for trådløs kraftoverføring som bruker elektromagnetisk stråling som medium - mikrobølgeovn og laser / lyseffekt

Mikrobølgeovn trådløs kraftoverføring

Ettersom navnet i seg selv gir det bort i denne metoden, vil det bruke mikrobølgespekteret til EMR for å levere kraft til belastning. Først vil senderen trekke strøm fra et stikkontakt eller en hvilken som helst annen stabil strømkilde, og deretter regulere denne vekselstrømmen til ønsket nivå. Etter det vil den overførte kraften generere mikrobølger ved å forbruke denne regulerte strømforsyningen. Mikrobølgene beveger seg gjennom luft uten avbrudd for å nå mottakeren eller lasten. Mottakeren vil være utstyrt med passende enheter for å motta denne mikrobølgestrålingen og konvertere den til elektrisk energi. Denne konverterte elektriske effekten er direkte proporsjonal med mengden mikrobølgestråling som mottas til mottakeren, og dermed oppnås trådløs kraftoverføring ved bruk av mikrobølgestråling.

Trådløs kraftoverføring med laserlys

Enhver person som arbeider med elektronikk og elektrisk kraft, burde ha kommet over et konsept som heter solenergi. Og hvis du husker riktig, er konseptet med solenergi ikke annet enn å bruke elektromagnetisk stråling fra sol til generert elektrisitet. Denne konverteringsprosessen kan være basert på systemer av solcellepaneler, solvarme eller andre, og en solenergilader kan enkelt bygges ved hjelp av solcellepaneler. Men det viktigste problemet her er energien som solen overfører til jorden er i form av elektromagnetisk stråling og er spesifikt i det synlige spekteret og overføringen av energi hit gjøres trådløst. Derfor er konseptet med solenergi i seg selv et mega trådløst kraftoverføringssystem.

Nå, hvis vi bytter ut solen med en mindre EMR-generator (eller bare en lyskilde), kan vi fokusere strålingen som genereres på en belastning som er hundrevis av meter fra lyskilden. Når dette fokuserte lyset når solpanelet til mottakermodulen (eller belastningen), konverterer det lysenergien til elektrisk kraft som er det opprinnelige målet for oppsett av trådløs kraftoverføring.

Inntil nå diskuterte vi teknikker eller metoder som er i stand til å levere kraft til belastning som er få meter fra kilden. Selv om disse teknikkene har avstandsevne, er de store og kostbare, så de er ikke egnet for design av mobilladere. De mest praktiske metodene som kan brukes til design av trådløse ladere er nemlig ' Induktiv koblingstype' og ' Magnetresonansinduksjon '. Dette er de to metodene som bruker Faradays lov om elektromagnetisk induksjon som prinsipp og magnetisk strømning som forplantningsfenomen for å oppnå trådløs kraftoverføring.

Trådløs kraftoverføring ved hjelp av induktiv kobling

Oppsettet som brukes i induktiv kobling er veldig likt det som brukes til elektrisk transformator. For bedre forståelse, la oss se på den typiske applikasjonskretsen til induktiv kobling trådløs kraftoverføringsmetode.

I det ovennevnte funksjonsdiagrammet har vi to seksjoner, den ene er et oppsett for elektrisk kraftoverføring, og den andre er oppsettet for den elektriske mottakeren.
Begge seksjonene er elektrisk isolert med hverandre og er skilt av en isolator med et par centimeter bredde. Selv om begge seksjoner ikke har noen elektrisk interaksjon, er det fortsatt en magnetisk kobling mellom dem.
AC-spenningskilden i sendermodulen gir strøm til hele systemet.

Arbeid av induktiv koblingstype Trådløs overføring: Fra begynnelsen er det en strøm i lederspolen i sendermodulen fordi en vekselspenningskilde er koblet til spolens endeterminaler. Og på grunn av denne strømmen, bør det genereres et magnetfelt rundt ledningene til spolen som er tett viklet rundt en ferrittkjerne. På grunn av tilstedeværelsen av et medium blir all magnetisk strømning av spolen konsentrert om ferrittkjernen. Denne fluxen beveger seg langs ferritkjernens akse og blir kastet ut i det ledige rommet utenfor overføringsmodulen som vist på figuren.

Nå, hvis vi tar mottakermodulen nær senderen, vil den magnetiske strømmen som sendes ut, kutte spolen som er tilstede i mottakermodulen. Siden strømning generert av sendermodulen er varierende strømning, må en EMF induseres i lederen ført i sitt område i henhold til Faradays lov om elektromagnetisk induksjon. Basert på denne teorien må en EMF også føres inn i mottakerspolen som opplever den magnetiske strømmen som genereres av senderen. Denne genererte spenningen vil bli rettet, filtrert og regulert for å få en riktig DC-spenning som er veldig nødvendig for systemkontrolleren.

I noen tilfeller elimineres også ferrittkjerne for å gjøre senderen og mottakeren mer kompakt og lett. Du kan se denne applikasjonen i trådløs mobiltelefonlader og smarttelefonpar. Som vi alle vet, konkurrerer bransjer for tiden nakke mot nakke for å frigjøre høyytelses smarttelefoner og andre enheter som er lettere, slankere og kjøligere. Designerne får bokstavelig talt mareritt for å oppnå disse funksjonene uten at det går ut over ytelsen, så det å gjøre enheten klumpete bare for trådløs kraftoverføring er uakseptabelt. Så designere og ingeniører kommer med flere slankere og lettere moduler som kan monteres i smarttelefoner og nettbrett.

Her kan du se den interne konstruksjonen til den nyeste trådløse laderen.

Smarttelefonen med trådløs strømfunksjon vil også ha en lignende spole for å muliggjøre den elektromagnetiske induksjonen. Du kan se i figuren nedenfor hvordan den slanke spolen er festet i bunnen av smarttelefonen nær batteriet. Du kan se hvordan ingeniører designet denne trådløse laderen så slank uten å gå på akkord med ytelsen. Arbeidet med dette oppsettet ligner på saken som er diskutert ovenfor, bortsett fra at den ikke har noen ferrittkjerne i midten av viklingen.

Selv om denne måten å overføre kraft gjennom elektromagnetisk induksjon på virker enkel, men det er ikke sammenlignbart med en effektiv metode for å levere strøm gjennom kabelen.

Magnetresonansinduksjonsbasert trådløs kraftoverføring

Magnetresonansinduksjon er en form for induktiv kobling der kraft overføres av magnetfelt mellom to resonanskretser (tunede kretser), en i senderen og en i mottakeren. På grunn av dette må oppsettet av den magnetiske resonansinduksjonskretsen være veldig lik den induktive koblingskretsen som vi diskuterte tidligere.

Du kan se i denne figuren, bortsett fra tilstedeværelsen av seriekondensatorer, er hele kretsen lik den forrige saken.

Arbeid: Arbeidene til denne modellen er også veldig lik den forrige saken, bortsett fra at kretsene som er tilstede i sender og mottaker er innstilt for å fungere med resonansfrekvensen. Kondensatorene er spesielt koblet i serie med begge spolene for å oppnå denne resonanseffekten.

Som vi alle vet, vil en kondensator i serie med en induktor danne en serie LC-krets som vist på figuren. Og verdien av frekvensen som denne kretsen vil fungere ved resonans på kan gis som, F _r = ^1/2 ᴫ (LC) ^1/2

Her L = Induktor verdi og C = Kondensator verdi.

Ved å bruke den samme formelen vil vi beregne verdien av resonansfrekvensen for kretsens krets og justere vekselstrømskildefrekvensen til den beregnede verdien.

Når kildefrekvensen er justert, vil senderkretsen sammen med mottakerkretsen fungere med resonansfrekvensen. Etter dette må en EMF induseres i mottakerkretsen i henhold til Faradays induksjonsloven som vi diskuterte i forrige tilfelle. Og denne induserte EMF vil bli rettet, filtrert og regulert for å få en skikkelig DC-spenning som vist i figuren.

Inntil nå diskuterte vi forskjellige teknikker som kan brukes til trådløs kraftoverføring sammen med deres typiske applikasjonskretser. Og vi bruker disse metodene til å utvikle kretser for alle trådløse kraftoverføringssystemer som trådløs lader, trådløst ladesystem for elektriske kjøretøy, trådløs strømoverføring for droner, fly osv.

Trådløse kraftoverføringsstandarder

Nå med hvert selskap som utvikler sine egne produksjoner og ladestasjoner, er det behov for felles standarder blant alle utviklere for å få forbrukeren til å velge den beste blant havet av valg. Så et par standarder blir fulgt av alle bransjer som jobber med å utvikle trådløse kraftoverføringssystemer.

Ulike standarder som brukes til å utvikle trådløse strømoverføringsenheter som trådløs lader:

'Qi' standarder - av Wireless Power Consortium:

Teknologi - induktiv, resonans - lav frekvens
Lav effekt - 5W, Medium Power - 15W, Qi Trådløse kjøkkenutstyr fra 100W til 2,4kW
Frekvensområde - 110 - 205 kHz
Produkter - 500+ produkter og brukes i mer enn 60 mobiltelefonselskaper

'PMA' standarder - av Power Matter Alliance:

Teknologi - induktiv, resonans - høy frekvens
Strøm ut maks. Fra 3,5W til 50W
Frekvensområde - 277 - 357 kHz
Produkter - bare 2, men 100.000 strømmatteenheter distribueres globalt

Fordeler med trådløs lader

Den trådløse laderen er veldig nyttig for lading av hjemmebaserte enheter som en smarttelefon, bærbar PC, iPod, bærbar PC, øretelefon osv.
Det gir en praktisk, sikker og effektiv måte å overføre strøm uten medium.
Miljøvennlig - Skader ikke eller skader et menneske eller noe levende vesen.
Den kan brukes til å lade medisinske implantater, noe som resulterer i en forbedring av livskvaliteten og reduserer risikoen for infeksjon.
Ingen behov for vanlig bekymring for slitasje på strømkontakten.
Fumling over strømkabelorienteringen er over med bruk av trådløse ladere.

Ulemper med trådløs lader

Mindre effektivitet og mer strømtap.
Koster mer enn kabelladeren.
Det er vanskelig å reparere feilen.
Ikke egnet for høy effekt.
Energitap øker med belastning.