Muchos dispositivos tecnológicos de última generación alimentados por baterías prevén la posibilidad de recarga sin la conexión física a una fuente de alimentación, sino por simple apoyo a una estación base especial, que además no tiene que ser necesariamente proporcionada por el mismo fabricante del dispositivo. Si los aparatos de diferentes fabricantes son capaces de interoperar entre sí, se debe a la existencia de estándares abiertos, muy a menudo desarrollados por un consorcio de varias marcas interesadas en el desarrollo de esa determinada tecnología.
El concepto de transferencia inalámbrica de energía se conoce desde hace tiempo, más de 100 años para ser exactos, y se remonta a la invención de la bobina de Tesla. Un factor clave en la transmisión inalámbrica de energía es la eficiencia: para poder definir eficazmente el sistema, una gran parte de la energía transmitida por el generador debe llegar al dispositivo receptor. Los dos tipos de procesos de acoplamiento inductivo que pueden utilizarse para la transferencia inalámbrica de campo cercano son el acoplamiento inductivo estándar y el acoplamiento inductivo resonante.
En general, el acoplamiento inductivo estándar es practicable a una distancia de comunicación relativamente corta, ya que la mayor parte del flujo magnético no se conecta entre las bobinas y los campos magnéticos decaen rápidamente. El acoplamiento inductivo resonante ofrece una mayor eficiencia (hasta el 95%) y funciona incluso a distancias relativamente largas (varios metros), dado que la bobina resonante reduce significativamente las pérdidas de energía permitiendo la transferencia de energía de una bobina a otra.
Aplicaciones
La transferencia inalámbrica de energía (WPT) puede utilizarse tanto para alimentar directamente el dispositivo, como las luces LED o un televisor, como para recargar una batería, como la de un teléfono móvil, simplemente colocándola a bordo. La comunicación entre dispositivos médicos implantados en el cuerpo humano y equipos externos se conoce desde hace tiempo. Un ejemplo lo constituyen los parámetros de diagnóstico transmitidos por un pacificador hacia el exterior. En esta aplicación, un acoplamiento inductivo entre un pequeño giro colocado en la caja del dispositivo y otro más grande situado en el pecho del paciente permite la comunicación. Sin embargo, los dispositivos médicos implantados necesitan una alimentación adecuada y, aunque el uso de baterías de iones de litio les permite funcionar de forma autónoma, su sustitución requiere operaciones invasivas con riesgos relativos para la salud del paciente. La tecnología WPT puede remediar este problema mediante sistemas de carga inalámbricos. En los últimos años, la aplicación de la tecnología WPT al campo de la movilidad eléctrica sostenible ha suscitado un interés creciente en las instituciones de investigación, especialmente en Asia. En la actualidad, los vehículos eléctricos necesitan estar conectados, a través de un conector, a una toma de corriente para recargar las baterías. La transferencia inalámbrica de energía permite eliminar esos conectores y posibilita la recarga automática (figura 1).
Tecnología
El campo electromagnético que irradia una antena adopta unas características que dependen de la distancia al elemento radiante. En concreto, podemos distinguir dos zonas: zona de campo cercano y zona de campo lejano.
Un ejemplo que todos conocemos es el transformador, que transfiere energía de una bobina primaria a otra secundaria sin conexión eléctrica directa, sino utilizando el acoplamiento magnético inductivo. Los transformadores se fabrican con núcleos de ferrita y requieren una alineación precisa entre el primario y el secundario para lograr un fuerte acoplamiento. La figura 2 muestra el diagrama de bloques de un circuito típico que implementa un acoplamiento magnético inductivo.
La primera etapa está representada por un inversor, que convierte la corriente continua (DC) en corriente alterna (AC) a la frecuencia adecuada (normalmente en el rango entre cientos de kilohercios y varios megahercios). Después, una red de adaptación de la impedancia ajusta la impedancia vista por la bobina transmisora en función de la carga, de modo que se puede alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 90%. La siguiente etapa se compone de las bobinas de transmisión y recepción, respectivamente, utilizadas para generar el campo magnético e interceptarlo. Una segunda red de adaptación de impedancias se encarga de que la carga vea la impedancia adecuada y, por último, un rectificador convierte la corriente alterna en una corriente continua estable gracias a un regulador de tensión.
El uso de esta tecnología en dispositivos electrónicos portátiles está condicionado por la limitada libertad de movimiento debido a la necesidad de una alta eficiencia y por el peso de los materiales magnéticos a granel. Para que el acoplamiento sea eficiente, los lados primario y secundario deben estar bien alineados, y además la distancia entre ellos no debe superar longitudes del orden de decenas de centímetros. Por estas razones, el acoplamiento inductivo se utiliza a menudo para alimentar vehículos eléctricos.
A partir de los principios básicos del acoplamiento inductivo, es posible aumentar las distancias de transmisión mediante la técnica del acoplamiento magnético resonante. El concepto en el que se basa el acoplamiento magnético resonante es el siguiente: una gran espiral inductiva excitada por una fuente de radiofrecuencia puede aprovechar su resonancia para inducir un modo resonante en otra estructura similar, colocada a cierta distancia. Esto permite obtener una transferencia de potencia sin utilizar un campo radiativo, en una distancia que puede ser incluso cuatro veces el tamaño de la espiral (figura 3).
La corriente alterna de 50-60 Hz es rectificada y convertida en corriente continua por el bloque rectificador. A continuación, la señal continua alimenta el bloque de RF, un amplificador que convierte la tensión continua en tensión de radiofrecuencia utilizada para conducir el bucle hacia la transmisión. En el lado receptor, el bucle de resonancia entrante transmite la señal de RF al rectificador, que suministra a la carga una corriente continua convenientemente regulada. Aunque no se muestra en la figura, estos sistemas suelen incluir redes de adaptación de impedancias para conseguir una eficiencia transmisiva aceptable entre la fuente y la carga.
Los sistemas pueden representarse como un circuito RLC (figura 4) en el que, en la frecuencia de resonancia, la energía oscila entre el inductor L donde se almacena en el campo magnético y el condensador C donde se acumula en el campo eléctrico. La calidad con la que el resonador acumula energía viene definida por el factor de calidad Q, que es función de la frecuencia de resonancia w0 y del factor de pérdidas Γ:
Cuando dos resonadores similares se colocan cerca el uno del otro en la frecuencia de resonancia, se produce un acoplamiento entre ellos que permite una transferencia de energía. La siguiente fórmula da la eficiencia óptima con la que se produce la transferencia de energía:
Como puede verse, depende únicamente del factor de mérito U que indica la bondad del acoplamiento.
En comparación con el acoplamiento magnético inductivo, el acoplamiento magnético resonante presenta ventajas considerables:
- la ausencia de núcleos de ferrita los hace más ligeros y, por lo tanto, más integrables;
- las distancias entre el emisor y el receptor pueden alcanzar hasta 4 metros sin la restricción altamente limitante de una alineación perfecta entre los dos bucles;
La alineación de las bobinas de recepción y transmisión en el campo de flujo y la distancia entre las bobinas determinan la eficiencia con la que se transmite la energía. La frecuencia de resonancia, la relación entre las dimensiones de las bobinas de transmisión y las de las bobinas de recepción, el factor de acoplamiento, la impedancia del bobinado y las corrientes parásitas de la bobina son otros factores que tienen un gran impacto en la eficiencia de la transmisión de energía.
Protocolo Qi
El sistema Qi es un estándar para la transferencia de energía inalámbrica. Consta de dos módulos básicos, a saber, la estación base y el dispositivo móvil. Su arquitectura de más alto nivel se representa en la figura 5.
La estación base incluye uno o varios transmisores de energía: cada uno de ellos puede proporcionar la funcionalidad de transferencia de energía inalámbrica a un único dispositivo móvil a la vez y consta, en principio, de una unidad de conversión de energía y una unidad de control y comunicación. El estándar Qi ya está presente en el mercado de consumo, a bordo de una amplia gama de dispositivos móviles. Pero incluso el mundo desarrollado puede beneficiarse de esta tecnología gracias a proyectos como el reciente TIDA-00881, una placa de Texas Instruments diseñada para añadir a otras placas de bajo consumo de TI (incluidas las de la serie Launchpad) la funcionalidad de fuente de alimentación inalámbrica compatible con Qi.
Infineon ofrece MOSFETs de potencia para muchos estándares de carga inalámbrica y es miembro activo del Wireless Power Consortium (WPC) y de la AirFuel Alliance, los dos principales consorcios corporativos para la tecnología de carga inalámbrica. La AirFuel Alliance definió un estándar para el WPT resonante, que funciona a una frecuencia de 6,78 MHz y permite la carga de varios dispositivos simultáneamente. En particular, BSZ0909ND es adecuado para arquitecturas de carga inalámbrica o componentes de pilotaje (por ejemplo, en drones o multimotores) en los que los diseñadores necesitan simplificar la disposición y ahorrar significativamente espacio, sin comprometer la eficiencia.
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