Een overzicht van draadloze oplaadtechnologie

Draadloos opladen is het proces waarbij elektronische apparaten met batterijvoeding worden opgeladen zonder ze rechtstreeks met draden en kabels aan een stroombron te koppelen. Het proces geeft gebruikers de vrijheid om hun telefoon onderweg op te laden zonder dat ze een stopcontact nodig hebben. Dit betekent dat smartphones en andere apparaten met draadloos opladen kunnen worden opgeladen door ze bijvoorbeeld gewoon op een salontafel te plaatsen, of dat zelfs complexere machines zoals elektrische auto's kunnen worden opgeladen door ze simpelweg in de garage te parkeren of via de weg voor draadloos opladen. Het elimineert alle veiligheidsproblemen die gepaard gaan met opladen via snoer en opent de deur naar een nieuw soort vrijheid voor gebruikers.

Draadloos opladen dateert uit de late jaren 1800 toen Nikola Tesla de Tesla-spoel ontwikkelde die bedoeld was om draadloos vermogen te verzenden, terwijl het experiment op dat moment het doel niet bereikte, het interesse wekte in het veld en veel meer mensen begonnen te werken aan het idee. In 2006 begon MIT met het testen van het gebruik van resonantiekoppeling om grote hoeveelheden energie over te dragen en dit maakte de weg vrij voor enkele van de geweldige draadloze oplaadtechnologieën die tegenwoordig bestaan. Je kunt dit experiment bekijken om een ​​Mini Tesla-spoel te bouwen om draadloos vermogen te verzenden.

Hoe draadloze krachtoverbrenging werkt

Draadloos opladen wordt ook wel inductief opladen genoemd omdat het gebaseerd is op het principe van elektromagnetische inductie. Net als bij het draadloze communicatiesysteem, wordt draadloos opladen bereikt via de actie van een draadloze energiezender en -ontvanger. De draadloze oplaadzender, meestal aangeduid als het oplaadstation, is bevestigd aan een stopcontact en verzendt de energie die via het stopcontact wordt geleverd naar de ontvanger die altijd is bevestigd aan het op te laden apparaat en in de buurt van het draadloze oplaadstation is geplaatst.

Hieronder is een blokschema om de componenten van een draadloos oplaadsysteem en oplaadproces te beschrijven:

Zoals eerder vermeld, maakt draadloos opladen gebruik van het principe van magnetische inductie dat wordt gebruikt in elektrische stroomtransformatoren, generatoren en motoren, zodat de doorgang van elektrische stroom door een spoel een veranderend magnetisch veld rond die spoel veroorzaakt dat een stroom induceert in een andere gekoppelde spoel. Dit is het principe achter de overdracht van elektrische energie tussen de primaire en secundaire spoel in een elektrische transformator, ook al lijken ze elektrisch geïsoleerd. Bij draadloos opladen heeft elk van de componenten (de zender en de ontvanger) waaruit het systeem bestaat een spoel. De zenderspoel kan worden vergeleken met de primaire spoel, terwijl de ontvangerspoel kan worden vergeleken met de secundaire spoel van een elektrische vermogenstransformator. Als een laadstation is aangesloten op een stopcontact,het geleverde vermogen wordt door het gelijkrichtersysteem gelijkgericht naar gelijkstroom, waarna het schakelsysteem het overneemt. De reden voor het schakelen is om de veranderende magnetische flux te kunnen genereren die nodig is om ladingen in de ontvangerspoel te induceren.

De ontvangerspoel verzamelt het binnenkomende vermogen en geeft dit door aan het ontvangercircuit dat het binnenkomende vermogen omzet in gelijkstroom en vervolgens het ontvangen vermogen toepast om de batterij op te laden.

Zoals hierboven vastgesteld, vindt vermogensoverdracht plaats wanneer magnetische flux, gecreëerd door het tot stand brengen van een wisselend magnetisch veld in de zenderspoel, wordt omgezet in een elektrische stroom in de ontvangerspoel. De hoeveelheid gegenereerde elektrische stroom hangt af van de hoeveelheid flux die door de zender wordt gegenereerd en hoeveel van die flux de ontvangerspoel heeft kunnen opvangen. De hoeveelheid flux die de ontvanger opvangt, hangt af van de "koppelingsfactor" die wordt bepaald door de grootte, afstand en positionering van de ontvangerspoel ten opzichte van de zenderspoel. Dit betekent dat een hogere koppelingsfactor resulteert in een hogere energieoverdracht. Om de kans op een hogere koppelingsfactor te vergroten, zijn bepaalde draadloze laadstations ontworpen met meerdere zenderspoelen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Normen voor draadloos opladen

Wireless Charging Standards verwijzen naar de set regels die het ontwerp en de ontwikkeling van draadloze apparaten beheersen. Er zijn momenteel twee verschillende industriestandaarden voor draadloos opladen die door verschillende instanties worden gepromoot.

1. Rezence-standaard

2. QI-standaard

De Rezence- standaard is gebaseerd op resonant inductief opladen, zodat het opladen plaatsvindt wanneer zowel de zender- als de ontvangerspoel in resonantie zijn. Met deze standaard kunnen apparaten een grotere afstand tussen de zender en de ontvanger bereiken om op te laden. Deze standaard wordt gepromoot door de Alliance for Wireless Power (A4WP).

De QI-standaard daarentegen bereikt draadloze energieoverdracht met behulp van een nauwe koppeling tussen de spoelen en tegen de Rezence- standaard zijn de zender- en ontvangerspoel altijd ontworpen om op iets verschillende frequenties te werken, omdat wordt aangenomen dat er meer vermogen wordt geleverd met deze opstelling. De QI-standaard wordt gepromoot door het draadloze energieconsortium dat leden omvat zoals Apple inc, Qualcomm en HTC om er maar een paar te noemen.

U kunt de draadloze standaard selecteren die het beste bij uw toepassing past door rekening te houden met de afwegingen tussen EMI, efficiëntie en de vrijheid van afstemming tussen de twee standaarden. Desalniettemin zijn bepaalde draadloze oplaadstations ontworpen om beide standaarden te ondersteunen, deze bieden een hoge interoperabiliteit tussen apparaten.

Eenvoudig ontwerp voor draadloze oplader

Voordat u een draadloos oplaadsysteem gaat bouwen, moet u met het volgende rekening houden.

1. Standaard: wanneer u een apparaat uitrust met draadloze oplaadmogelijkheden, moet u eerst de draadloze stroomstandaard selecteren die bij het apparaat en de gebruiksscenario's past. Bepaalde laadsystemen zijn gebaseerd op meerdere standaarden.

2. Spoelselectie: het volgende is het selecteren van het juiste spoeltype en de juiste spoelgeometrie voor de toepassing. Verkopers leveren deze spoelen in standaardmeters, dus de selectie van de juiste moet worden gebaseerd op de aanbeveling van het gegevensblad van de te gebruiken draadloze oplaadzender-IC.

3. Behuizing: Bij het ontwerpen van draadloze systemen is het belangrijk dat de behuizing van de apparaten niet van metaal is en een relatief vlak oppervlak heeft om een ​​hogere koppelingsfactor tussen de zender en de ontvanger te bereiken. Metaal verhindert effectief dat de overgedragen energie de ontvanger bereikt en de plastic behuizing moet ultradun zijn ontworpen.

Ontwerp van zender

Het draadloze oplaadsysteem bestaat uit zowel de zender als de ontvanger zoals eerder vermeld. Hieronder ziet u het schema van het ontwerp van een zender.

Er zijn drie hoofdcomponenten waaruit de zender bestaat; de stroombron, de zenderspoel en het schakelcircuit. De stroombron is meestal gelijkstroom van een gelijkgerichte wisselstroom. Na rectificatie wordt het schakelcircuit gebruikt om het wisselsignaal te genereren dat wordt gebruikt bij het creëren van het veranderende magnetische veld om stroomoverdracht van de zender naar de ontvanger via de zenderspoel te induceren.

Ontwerp van ontvanger

Het ontwerp van de ontvanger is vergelijkbaar met dat van de zender, behalve dat de handeling in omgekeerde volgorde plaatsvindt. De ontvanger bestaat uit een ontvangerspoel, resonantienetwerk en gelijkrichter en een oplader-IC die de uitgang van het gelijkrichtcircuit gebruikt om de aangesloten batterij op te laden. Een voorbeeld van het ontvangercircuit wordt getoond in de onderstaande afbeelding met de functionele onderdelen gemarkeerd. Dit voorbeeld is gebaseerd op de LTC4120-oplaad-IC.

Toepassingen

Draadloos opladen wordt momenteel in veel toepassingen gebruikt, waaronder:

1. Smartphones en draagbaar
2. Notebooks en tablets
3. Elektrisch gereedschap en servicerobots, zoals stofzuigers
4. Multicopters en elektrisch speelgoed
5. Medische apparatuur
6. Opladen in de auto

Naast de mooie redenen waarom u draadloos opladen zou moeten gebruiken, zoals het niet nodig hebben om een ​​apparaat aan te sluiten en geen compatibiliteitsproblemen met de stekker, biedt draadloos opladen bescherming tegen gevaren die verband houden met directe aansluiting op het lichtnet. Bovendien is hij betrouwbaar in zwaardere omgevingen, zoals boren en mijnbouw, en zorgt hij voor naadloos opladen tijdens het rijden. Ten slotte elimineert draadloos opladen verwarring en andere rommel die door draden wordt veroorzaakt. We hebben nog maar net het gezicht van draadloos opladen bekrast met verschillende nieuwe toepassingen, elk productontwerp dat wordt gedaan met de toekomst in gedachten, zou moeten proberen om draadloos opladen op te nemen, aangezien dit zeker een van de manieren is waarop we apparaten met batterijvoeding in de nabije toekomst zullen opladen.