Mnoho nejmodernějších technologických zařízení napájených z baterií poskytuje možnost dobíjení bez fyzického připojení ke zdroji napájení, ale pouhou podporou speciální základnové stanice, kterou navíc nemusí nutně poskytovat stejný výrobce zařízení. Pokud jsou přístroje různých výrobců schopny vzájemné spolupráce, je to díky existenci otevřených standardů, které velmi často vyvíjí konsorcium různých značek zainteresovaných na rozvoji dané technologie.
Koncept bezdrátového přenosu energie je znám již delší dobu, přesněji více než 100 let, a datuje se od vynálezu Teslovy cívky. Klíčovým faktorem bezdrátového přenosu energie je účinnost: aby bylo možné systém efektivně definovat, musí velká část energie přenášené generátorem dosáhnout přijímacího zařízení. Dva typy indukčních vazebných procesů, které lze použít pro bezdrátový přenos v blízkém poli, jsou standardní indukční vazba a rezonanční indukční vazba.
Zpravidla je standardní indukční vazba proveditelná na relativně krátkou komunikační vzdálenost, protože většina magnetického toku není mezi cívkami spojena a magnetická pole se rychle rozpadají. Indukční rezonanční vazba nabízí vyšší účinnost (až 95 %) a funguje i na relativně velké vzdálenosti (několik metrů) vzhledem k tomu, že rezonanční cívka výrazně snižuje energetické ztráty umožňující přenos energie z jedné cívky do druhé.
Aplikace
Bezdrátový přenos energie (WPT) lze využít buď k přímému napájení zařízení, jako jsou LED světla nebo televizor, a k dobíjení baterie, například mobilního telefonu, pouhým přiložením na palubu. Komunikace mezi lékařskými přístroji implantovanými v lidském těle a externími zařízeními je známa již dlouho. Příkladem jsou diagnostické parametry vysílané peacemakerem směrem ven. V této aplikaci umožňuje komunikaci indukční vazba mezi malým závitníkem umístěným v pouzdře přístroje a větším závitníkem umístěným na hrudi pacienta. Implantované zdravotnické prostředky však musí být řádně napájeny, a přestože použití lithium-iontových baterií umožňuje jejich autonomní provoz, jejich výměna vyžaduje invazivní operace s relativním rizikem pro zdraví pacienta. Technologie WPT může tento problém vyřešit prostřednictvím bezdrátových nabíjecích systémů. V posledních letech se aplikace technologie WPT v oblasti udržitelné e-mobility těší rostoucímu zájmu výzkumných institucí, zejména v Asii. Elektromobily dnes musí být prostřednictvím konektoru připojeny k elektrické zásuvce pro dobíjení baterií. Bezdrátový přenos energie umožňuje eliminovat tyto konektory a umožňuje automatické dobíjení (obr. 1).
Technologie
Elektromagnetické pole, které vyzařuje anténa, nabývá vlastností závislých na vzdálenosti od vyzařujícího prvku. Rozlišujeme zejména dvě oblasti: oblast blízkého pole a oblast vzdáleného pole.
Příkladem, který všichni známe, je transformátor, který přenáší energii z primární cívky na sekundární bez přímého elektrického spojení, ale pomocí magnetické indukční vazby. Transformátory se vyrábějí s feritovými jádry a k dosažení silné vazby vyžadují přesné sladění primární a sekundární strany. Obrázek 2 ukazuje blokové schéma typického obvodu realizujícího indukční magnetickou vazbu.
První stupeň představuje měnič, který převádí stejnosměrný proud (DC) na střídavý proud (AC) o příslušné frekvenci (obvykle v rozsahu stovek kilohertzů až několika megahertzů). Poté impedanční přizpůsobovací síť upraví impedanci, kterou vidí vysílací cívka, podle zátěže, takže lze dosáhnout účinnosti přibližně 90 %. Další stupeň se skládá z vysílací a přijímací cívky, které slouží ke generování magnetického pole a k jeho zachycení. Druhá impedanční přizpůsobovací síť zajišťuje, aby zátěž viděla odpovídající impedanci, a nakonec usměrňovač převádí střídavý proud na stabilní stejnosměrný proud díky regulátoru napětí.
Použití této technologie v přenosných elektronických zařízeních je podmíněno omezenou volností pohybu z důvodu potřeby vysoké účinnosti a hmotností objemných magnetických materiálů. Aby byla vazba účinná, musí být primární a sekundární strana dobře zarovnány a také vzdálenost mezi nimi nesmí překročit délky v řádu desítek centimetrů. Z těchto důvodů se indukční vazba často používá pro napájení elektrických vozidel.
Vycházíme-li ze základních principů indukční vazby, je možné zvětšit přenosové vzdálenosti pomocí techniky rezonanční magnetické vazby. Koncepce rezonanční magnetické vazby je následující: velká indukční spirála buzená radiofrekvenčním zdrojem může využít své rezonance k vyvolání rezonančního módu v jiné podobné struktuře, umístěné v určité vzdálenosti. To umožňuje získat přenos energie bez použití vyzařovacího pole na vzdálenost, která může být i čtyřikrát větší než velikost spirály (obrázek 3).
Střídavý proud o frekvenci 50-60 Hz je usměrněn a převeden na stejnosměrný proud blokem usměrňovače. Stálý signál pak napájí blok RF, zesilovač, který převádí stejnosměrné napětí na radiofrekvenční napětí používané k pohonu smyčky do vysílání. Na přijímací straně přenáší vstupní rezonanční smyčka VF signál do usměrňovače, který dodává do zátěže vhodně regulovaný stejnosměrný proud. Ačkoli to na obrázku není znázorněno, tyto systémy často obsahují impedanční přizpůsobovací sítě pro dosažení přijatelné přenosové účinnosti mezi zdrojem a zátěží.
Systémy lze znázornit jako obvod RLC (obrázek 4), ve kterém, při rezonanční frekvenci energie osciluje mezi induktorem L, kde je uložena v magnetickém poli, a kondenzátorem C, kde je akumulována v elektrickém poli. Kvalita, s níž rezonátor akumuluje energii, je definována činitelem kvality Q, který je funkcí rezonanční frekvence w0 a ztrátového činitele Γ:
Pokud jsou dva podobné rezonátory umístěny blízko sebe na rezonanční frekvenci, dochází mezi nimi ke spojení, které umožňuje přenos energie. Následující vzorec udává optimální účinnost, s níž přenos energie probíhá:
Jak je patrné, závisí pouze na činiteli prospěšnosti U, který udává dobrou kvalitu vazby.
V porovnání s magnetickou indukční vazbou má rezonanční magnetická vazba značné výhody:
- pro absenci feritových jader jsou lehčí, a tudíž lépe integrovatelné;
- vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem může dosahovat až 4 metrů bez velmi omezujícího omezení dokonalého zarovnání obou smyček;
Zarovnání přijímací a vysílací cívky v proudovém poli a vzdálenost mezi cívkami určují účinnost, s níž je energie přenášena. Rezonanční frekvence, poměr mezi rozměry přenosových a přijímacích cívek, vazební faktor, impedance vinutí a parazitní proudy cívky jsou dalšími faktory, které mají velký vliv na účinnost přenosu energie.
Protokol Qi
Systém Qi je standardem pro bezdrátový přenos energie. Skládá se ze dvou základních modulů, a to základnové stanice a mobilního zařízení. Jeho architektura nejvyšší úrovně je znázorněna na obrázku 5.
Základní stanice obsahuje jeden nebo více vysílačů energie: každý z nich může poskytovat funkci bezdrátového přenosu energie vždy jednomu mobilnímu zařízení a v zásadě se skládá z jednotky pro převod energie a řídicí jednotky a komunikace. Standard Qi je již přítomen na spotřebitelském trhu, na palubě široké škály mobilních zařízení. Ale i vyspělý svět může z této technologie těžit díky projektům, jako je nedávná deska TIDA-00881 společnosti Texas Instruments, která byla navržena tak, aby doplnila ostatní nízkopříkonové desky TI (včetně desek řady Launchpad) o funkci bezdrátového napájení kompatibilního s Qi.
Infineon nabízí výkonové tranzistory MOSFET pro mnoho standardů bezdrátového nabíjení a je aktivním členem konsorcia Wireless Power Consortium (WPC) a AirFuel Alliance, dvou předních firemních konsorcií pro technologii bezdrátového nabíjení. Sdružení AirFuel Alliance definovalo standard pro rezonanční WPT, který pracuje na frekvenci 6,78 MHz a umožňuje nabíjení více zařízení současně. BSZ0909ND je vhodný zejména pro architektury bezdrátového nabíjení nebo pilotní komponenty (například v dronech nebo vícemotorových letadlech), kde konstruktéři potřebují zjednodušit uspořádání a výrazně ušetřit místo, aniž by byla ohrožena účinnost.
Kompletní článek naleznete na stránkách EDN Asia
Výkonová elektronika hraje stále důležitější roli na různých trzích, například v automobilovém průmyslu, průmyslové a spotřebitelské. Je také technologií umožňující širokou škálu nových a vylepšených funkcí, které zvyšují výkon, bezpečnost a funkčnost automobilů a inteligentních sítí. Náročné elektrické a tepelné požadavky silně ovlivňují konstrukci systémů výkonové elektroniky. Novinky z oblasti výkonové elektroniky by se zaměřovaly na hlavní témata, jako jsou výkonové měniče, řízení pohybu, polovodiče a tepelný management. Elektronická kniha Power Electronics News představuje interaktivní přístup k informování o nejnovějších technologiích, trendech a produktových inovacích na konkrétních trzích. Automotive, Consumer, Power Supplies & Energy Storage