Verschillende soorten draadloze technologie voor energieoverdracht en hun werking

Elk elektronisch systeem of apparaat heeft elektrische stroom nodig om te werken, of het nu gaat om uw ommuurde AC-voeding of een batterij. Deze elektrische stroom kan niet oneindig worden opgeslagen in een oplaadbaar apparaat zoals batterijen, condensatoren of supercondensatoren. Dus alle draagbare apparaten zoals laptops of mobiele telefoons moeten worden aangesloten op wisselstroomleidingen om hun batterijen regelmatig op te laden.

Meestal worden elektrische kabels gebruikt om deze oplaadbare apparaten, zoals smartphones, tablets, oortelefoons, Bluetooth-luidsprekers, enz.Te verbinden met AC-DC-adapters. Het gebruik van elektronische geleiderkabels om stroom of gegevens tussen twee systemen over te dragen, is de meest basale en populaire manier sinds de ontdekking van elektriciteit zelf. En mensen zijn blij met het gebruik van elektrische kabels tot nu toe, maar met de vooruitgang van de technologie, menselijke veiligheid en de honger van de mensheid naar perfectie in schoonheid leidt tot de concepten van draadloze krachtoverdracht (WPT) of draadloze energietransmissie (WET) in beeld die allang verloren is gegaan in geschiedenis. In enkele van onze vorige artikelen hebben we draadloze krachtoverbrenging in detail uitgelegd en ook een circuit gebouwd om de stroom draadloos over te dragen om een ​​LED te laten gloeien.

De eerste aanzienlijke experimentele toepassing voor Wireless Power Transfer (WPT) werd begin jaren 1890 gedaan door uitvinder Nikola Tesla. Tijdens de experimenten wordt elektrisch vermogen overgedragen door inductieve en capacitieve koppeling met behulp van door vonken aangeslagen radiofrequentie-resonantietransformatoren, nu Tesla-spoelen genoemd. Hoewel deze experimenten gedeeltelijk succesvol zijn, zijn ze niet efficiënt en vergen ze hoge investeringen. Dus later worden deze experimenten geschrapt en stond de technologiestudie jarenlang stil. We hebben ook een mini-Tesla-spoel gebouwd om het concept van Tesla-spoelen te demonstreren.

Hoewel er zelfs nu nog geen effectieve manier is om draadloos hoog vermogen te leveren, is het mogelijk om een ​​circuit te ontwerpen met de huidige technologische vooruitgang om laag vermogen effectief tussen twee systemen over te dragen. En de draadloze laders zijn ontworpen op basis van dit nieuw ontwikkelde circuit, waardoor het draadloos stroom kan leveren aan smartphones en andere kleine elektronische apparaten.

Diverse draadloze oplaadtechnologieën gebruikt in draadloze oplader

Sinds het concept van draadloze stroomoverdracht populair werd, hebben zowel wetenschappers als ingenieurs verschillende manieren bedacht om dit concept te realiseren. Hoewel de meeste van deze experimenten tot mislukkingen of onpraktische resultaten leidden, leverden maar weinig van deze experimenten bevredigende resultaten op. Deze beproefde en werkende manieren om draadloze stroomoverdracht te bereiken, hebben hun eigen voordelen, nadelen en kenmerken. Van deze verschillende methoden worden er maar een paar gebruikt bij het ontwerpen van draadloze opladers. Terwijl andere methoden hun eigen toepassingsgebied en voordelen hebben.

Voor een beter begrip zijn deze methoden geclassificeerd op basis van de transmissieafstand, het maximale vermogen en de methode die wordt gebruikt om krachtoverbrenging te bereiken. In de onderstaande afbeelding kunnen we verschillende manieren zien die worden gebruikt om draadloze energieoverdrachtstechnologie en hun classificatie te bereiken.

Hier,

• De eerste en belangrijkste classificatie is gebaseerd op de mate waarin vermogensoverdracht mogelijk is. In de geëxperimenteerde methoden zijn sommige in staat om draadloos stroom te leveren aan belastingen op grote afstand, terwijl andere alleen stroom kunnen leveren aan belastingen op slechts enkele centimeters van de bron. Dus de eerste indeling is gebaseerd op of de methode van Near Field of Far Field is.
• Het verschil in afstandsmogelijkheden is gebaseerd op het soort fenomeen dat door verschillende methoden wordt gebruikt om draadloze vermogensoverdracht te bereiken. Als het medium dat door de methode wordt gebruikt om stroom te leveren bijvoorbeeld elektromagnetische inductie is, mag de maximale afstand niet groter zijn dan 5 cm. Dit komt doordat het verlies van magnetische flux exponentieel toeneemt met een toename van de afstand tussen bron en belasting, wat leidt tot onaanvaardbare vermogensverliezen. Aan de andere kant, als het medium dat door de methode wordt gebruikt om stroom te leveren, elektromagnetische straling isdan kan de maximale afstand enkele meters hoog zijn. Dit komt omdat EMR kan worden geconcentreerd op een brandpunt dat zich op meters van de bron bevindt. Ook hebben methoden die EMR als medium gebruiken om stroom te leveren, een hogere efficiëntie in vergelijking met andere.
• Op de vele hierboven genoemde manieren zijn sommige populairder dan andere en de populaire methoden die op grote schaal worden gebruikt, worden hieronder besproken.

Er zijn twee populaire methoden voor draadloze krachtoverbrenging die elektromagnetische straling als medium gebruiken: microgolfvermogen en laser- / lichtvermogen

Magnetron draadloze vermogensoverdracht

Zoals de naam het al verraadt in deze methode, gebruikt het het microgolfspectrum van EMR om stroom te leveren om te laden. Ten eerste trekt de zender stroom uit een stopcontact of een andere stabiele stroombron en regelt deze wisselstroom vervolgens naar het vereiste niveau. Daarna zal het uitgezonden vermogen microgolven opwekken door deze gereguleerde stroomvoorziening te verbruiken. De microgolven reizen zonder onderbreking door de lucht om de ontvanger of lading te bereiken. De ontvanger zal worden uitgerust met geschikte apparaten om deze microgolfstraling op te vangen en om te zetten in elektrische energie. Dit omgezette elektrische vermogen is recht evenredig met de hoeveelheid microgolfstraling die de ontvanger bereikt en daarom wordt draadloze vermogensoverdracht met behulp van microgolfstraling bereikt.

Laserlicht draadloze stroomoverdracht

Iedereen die zich bezighoudt met elektronica en elektrische energie, zou een concept moeten zijn tegengekomen dat zonne-energieopwekking wordt genoemd. En als je je goed herinnert, is het concept van zonne-energieopwekking niets anders dan het gebruik van elektromagnetische straling van de zon om elektriciteit op te wekken. Dit conversieproces kan gebaseerd zijn op systemen van zonnepanelen, zonneverwarming of iets anders en een oplader op zonne-energie kan eenvoudig worden gebouwd met behulp van zonnepanelen. Maar het belangrijkste probleem hier is dat de energie die door de zon naar de aarde wordt overgedragen de vorm heeft van elektromagnetische straling en specifiek in het zichtbare spectrum valt en de overdracht van energie hier draadloos gebeurt. Daarom is het concept van zonne-energieopwekking zelf een mega draadloos krachtoverbrengingssysteem.

Als we de zon nu vervangen door een kleinere EMR-generator (of gewoon een lichtbron), dan kunnen we de gegenereerde straling focussen op een lading die honderden meters verwijderd is van de lichtbron. Zodra dit gefocuste licht het zonnepaneel van de ontvangermodule (of belasting) bereikt, zet het de lichtenergie om in elektrisch vermogen, wat het oorspronkelijke doel is van de draadloze instelling van de krachtoverbrenging.

Tot nu toe bespraken we technieken of methoden die in staat zijn om stroom te leveren aan belasting die zich op enkele meters van de bron bevindt. Hoewel deze technieken op afstand mogelijk zijn, zijn ze omvangrijk en kostbaar, zodat ze niet geschikt zijn voor het ontwerp van een mobiele oplader. De meest praktische methodes die gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van draadloze laders zijn namelijk ' Inductive Coupling Type' en ' Magnetic Resonant Induction '. Dit zijn de twee methoden die de Faradays-wet van elektromagnetische inductie gebruiken als het principe en magnetische flux als voortplantend fenomeen om draadloze krachtoverbrenging te bereiken.

Draadloze krachtoverbrenging met behulp van inductieve koppeling

De opstelling die wordt gebruikt bij inductieve koppeling lijkt sterk op die voor elektrische transformator. Laten we voor een beter begrip kijken naar het typische toepassingscircuit van de Inductive Coupling Wireless Power Transfer-methode.

• In het bovenstaande functionele diagram hebben we twee secties: de ene is een opstelling voor de transmissie van elektrische energie en de andere is de opstelling van de ontvanger voor het elektrische vermogen.
• Beide secties zijn elektrisch met elkaar geïsoleerd en worden gescheiden door een isolator van enkele centimeters breed. Hoewel beide secties geen elektrische interactie hebben, is er toch een magnetische koppeling tussen beide.
• De AC-spanningsbron die aanwezig is in de zendermodule voorziet het hele systeem van stroom.

Werking van draadloze transmissie van het inductieve koppelingstype: vanaf het begin is er een stroom in de geleiderspoel aanwezig in de zendermodule omdat een wisselspanningsbron is aangesloten op de eindaansluitingen van de spoel. En vanwege deze stroom moet er een magnetisch veld worden opgewekt rond de geleiders van de spoel die strak rond een ferrietkern is gewikkeld. Door de aanwezigheid van een medium wordt alle magnetische flux van de spoel geconcentreerd op de ferrietkern. Deze flux beweegt langs de as van de ferrietkern en wordt uitgeworpen in de vrije ruimte buiten de transmissiemodule, zoals weergegeven in de afbeelding.

Als we nu de ontvangermodule in de buurt van de zender brengen, zal de magnetische flux die door de zender wordt uitgezonden de spoel in de ontvangermodule afsnijden. Omdat de flux die door de zendermodule wordt gegenereerd, de flux varieert, moet een EMF worden geïnduceerd in de geleider die in zijn bereik wordt gebracht volgens de Faradays-wet van elektromagnetische inductie. Op basis van deze theorie moet ook een EMF worden ingebracht in de ontvangerspoel die de magnetische flux ervaart die door de zender wordt gegenereerd. Deze gegenereerde spanning wordt gelijkgericht, gefilterd en geregeld om een ​​juiste gelijkspanning te krijgen die hard nodig is voor de systeemcontroller.

In sommige gevallen wordt de ferrietkern ook geëlimineerd om de zender en ontvanger compacter en lichter te maken. U kunt deze applicatie zien in Draadloze oplader voor mobiele telefoons en Smartphone-paar. Zoals we allemaal weten, concurreren industrieën momenteel nek aan nek om hoogwaardige smartphones en andere apparaten uit te brengen die lichter, slanker en koeler zijn. De ontwerpers hebben letterlijk nachtmerries om deze functies te bereiken zonder afbreuk te doen aan de prestaties, dus het is onaanvaardbaar om het apparaat omvangrijk te maken alleen voor draadloze krachtoverbrenging. Dus de ontwerpers en engineering komen met slankere en lichtere modules die in smartphones en tablets kunnen worden ingepast.

Hier zie je de interne constructie van de nieuwste draadloze oplader.

De smartphone met de draadloze stroomvoorziening heeft ook een vergelijkbare spoel om de elektromagnetische inductie mogelijk te maken. U kunt in de onderstaande afbeelding zien hoe de dunne spoel aan de onderkant van de smartphone in de buurt van de batterij is bevestigd. U kunt zien hoe ingenieurs deze draadloze oplader zo dun hebben ontworpen zonder in te leveren op de prestaties. De werking van deze opstelling is vergelijkbaar met het hierboven besproken geval, behalve dat het geen ferrietkern heeft in het midden van de wikkeling.

Hoewel deze manier om stroom door middel van elektromagnetische inductie over te brengen eenvoudig lijkt, is het niet vergelijkbaar met een efficiënte methode om stroom via de kabel te leveren.

Op magnetische resonantie inductie gebaseerde draadloze vermogensoverdracht

Magnetische resonantie-inductie is een vorm van inductieve koppeling waarbij vermogen wordt overgedragen door magnetische velden tussen twee resonantiecircuits (afgestemde circuits), één in de zender en één in de ontvanger. Daarom moet de opzet van het magnetisch-resonante inductiecircuit erg lijken op het inductieve koppelingscircuit dat we eerder hebben besproken.

U kunt in deze afbeelding zien, behalve de aanwezigheid van seriecondensatoren, dat het hele circuit vergelijkbaar is met het vorige geval.

Werking: De werking van dit model lijkt ook erg op het vorige geval, behalve dat hier de circuits in de zender en ontvanger zijn afgestemd om op de resonantiefrequentie te werken. De condensatoren zijn speciaal in serie geschakeld met beide spoelen om dit resonerende effect te bereiken.

Zoals we allemaal weten, vormt een condensator in serie met een inductor een serie LC-circuit zoals weergegeven in de afbeelding. En de waarde van de frequentie waarop dit circuit bij resonantie zal werken, kan worden gegeven als, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Hier L = inductorwaarde en C = condensatorwaarde.

Door dezelfde formule te gebruiken, berekenen we de waarde van de resonantiefrequentie voor het stroomzendercircuit en passen we de frequentie van de wisselstroombron aan die berekende waarde aan.

Zodra de bronfrequentie is aangepast, werken het zendcircuit samen met het ontvangercircuit op de resonantiefrequentie. Hierna moet een EMF in het ontvangercircuit worden geïnduceerd volgens de Faradays-wet van inductie, zoals we in het vorige geval hebben besproken. En deze geïnduceerde EMF wordt gecorrigeerd, gefilterd en geregeld om een ​​juiste gelijkspanning te krijgen, zoals weergegeven in de afbeelding.

Tot nu toe hebben we verschillende technieken besproken die kunnen worden gebruikt voor draadloze krachtoverbrenging, samen met hun typische toepassingsschakelingen. En we gebruiken deze methoden om circuits te ontwikkelen voor alle draadloze krachtoverbrengingssystemen zoals draadloze oplader, draadloos oplaadsysteem voor elektrische voertuigen, draadloze krachtoverdracht voor drones, vliegtuigen, enz.

Standaarden voor draadloze stroomoverdracht

Nu elk bedrijf zijn eigen producties en laadstations ontwikkelt, is er behoefte aan gemeenschappelijke standaarden onder alle ontwikkelaars om ervoor te zorgen dat de consument het beste kiest uit de oceaan van keuzes. Dus een paar standaarden worden gevolgd door alle industrieën die werken aan de ontwikkeling van draadloze krachtoverbrengingssystemen.

Verschillende standaarden die worden gebruikt om draadloze apparaten voor stroomoverdracht te ontwikkelen, zoals een draadloze oplader:

'Qi'-standaarden - door Wireless Power Consortium:

• Technologie - inductief, resonant - lage frequentie
• Laag vermogen - 5W, gemiddeld vermogen - 15W, Qi Draadloze keukenapparatuur van 100W tot 2,4kW
• Frequentiebereik - 110-205 kHz
• Producten - 500+ producten en gebruikt in meer dan 60 gsm-bedrijven

'PMA'-standaarden - door Power Matter Alliance:

• Technologie - Inductief, Resonant - Hoge frequentie
• Power Out Max van 3,5W tot 50W
• Frequentiebereik - 277-357 kHz
• Producten - slechts 2 maar 1.00.000 power mats units worden wereldwijd gedistribueerd

Voordelen van draadloze oplader

• De draadloze oplader is erg handig voor het opladen van apparaten thuis, zoals een smartphone, laptop, iPod, notebook, oortelefoon, enz.
• Het biedt een gemakkelijke, veilige en effectieve manier om stroom over te dragen zonder enig medium.
• Milieuvriendelijk - Schaadt of verwondt geen mens of levend wezen.
• Het kan worden gebruikt om medische implantaten op te laden, wat resulteert in een verbetering van de kwaliteit van leven en het risico op infectie verkleint.
• U hoeft zich geen zorgen te maken over de slijtage van de stroomaansluiting.
• Het gedoe met de oriëntatie van de stroomkabel is voorbij met het gebruik van draadloze opladers.

Nadelen van draadloze oplader

• Minder efficiëntie en meer vermogensverlies.
• Kost meer dan de kabeloplader.
• Het repareren van de fout is moeilijk.
• Niet geschikt voor hoge vermogensafgifte.
• Energieverliezen nemen toe met belasting.