Molti dispositivi tecnologici a batteria di ultima generazione prevedono la possibilità di ricaricarsi senza la connessione fisica ad un alimentatore, ma tramite il semplice supporto ad una speciale stazione base, che peraltro non deve essere necessariamente fornita dallo stesso produttore del dispositivo. Se apparecchi di diversi produttori sono in grado di interoperare tra loro, è grazie all’esistenza di standard aperti, molto spesso sviluppati da un consorzio di varie marche interessate allo sviluppo di quella determinata tecnologia.
Il concetto di trasferimento di energia senza fili è noto da tempo, più di 100 anni per la precisione, e risale all’invenzione della bobina di Tesla. Un fattore chiave nella trasmissione di energia senza fili è l’efficienza: per poter definire efficacemente il sistema, gran parte dell’energia trasmessa dal generatore deve raggiungere il dispositivo ricevente. I due tipi di processi di accoppiamento induttivo che possono essere utilizzati per il trasferimento wireless in campo vicino sono l’accoppiamento induttivo standard e l’accoppiamento induttivo risonante.
Generalmente, l’accoppiamento induttivo standard è praticabile a una distanza di comunicazione relativamente breve, poiché la maggior parte del flusso magnetico non è collegato tra le bobine e i campi magnetici decadono rapidamente. L’accoppiamento induttivo risonante offre una maggiore efficienza (fino al 95%) e funziona anche a distanze relativamente lunghe (diversi metri), dato che la bobina risonante riduce significativamente le perdite di energia permettendo il trasferimento di energia da una bobina all’altra.
Applicazioni
Il trasferimento di potenza senza fili (WPT) può essere utilizzato sia per alimentare direttamente il dispositivo come le luci a LED o una TV e per ricaricare una batteria come un telefono cellulare semplicemente mettendolo a bordo. La comunicazione tra dispositivi medici impiantati nel corpo umano e apparecchiature esterne è nota da tempo. Un esempio è dato dai parametri diagnostici trasmessi da un pacemaker verso l’esterno. In questa applicazione, un accoppiamento induttivo tra una piccola curva posta nella cassa del dispositivo e una più grande posizionata sul petto del paziente permette la comunicazione. Tuttavia, i dispositivi medici impiantati hanno bisogno di essere adeguatamente alimentati e, sebbene l’uso di batterie agli ioni di litio permetta loro di funzionare autonomamente, la loro sostituzione richiede operazioni invasive con relativi rischi per la salute del paziente. La tecnologia WPT può ovviare a questo problema attraverso sistemi di ricarica wireless. Negli ultimi anni, l’applicazione della tecnologia WPT al campo della mobilità elettrica sostenibile ha avuto un interesse crescente negli istituti di ricerca, soprattutto in Asia. Oggi, i veicoli elettrici hanno bisogno di essere collegati, attraverso un connettore, a una presa elettrica per ricaricare le batterie. Il trasferimento di energia senza fili permette l’eliminazione di tali connettori e consente la ricarica automatica (figura 1).
Tecnologia
Il campo elettromagnetico che si irradia da un’antenna assume caratteristiche che dipendono dalla distanza dall’elemento radiante. In particolare, possiamo distinguere due aree: area di campo vicino e area di campo lontano.
Un esempio che tutti conosciamo è il trasformatore, che trasferisce energia da una bobina primaria ad una secondaria senza collegamento elettrico diretto, ma utilizzando l’accoppiamento magnetico induttivo. I trasformatori sono fatti con nuclei di ferrite e richiedono un allineamento preciso tra il primario e il secondario per ottenere un forte accoppiamento. La figura 2 mostra lo schema a blocchi di un tipico circuito che implementa un accoppiamento magnetico induttivo.
Il primo stadio è rappresentato da un inverter, che converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) alla frequenza appropriata (tipicamente nel range tra centinaia di kilohertz e diversi megahertz). Dopo di che, una rete di adattamento di impedenza regola l’impedenza vista dalla bobina di trasmissione in base al carico, in modo che si possa raggiungere un’efficienza di circa il 90%. Lo stadio successivo è composto dalle bobine di trasmissione e di ricezione, rispettivamente utilizzate per generare il campo magnetico e per intercettarlo. Una seconda rete di adattamento di impedenza assicura che il carico veda l’impedenza appropriata e, infine, un raddrizzatore converte la corrente alternata in una corrente continua stabile grazie a un regolatore di tensione.
L’uso di questa tecnologia nei dispositivi elettronici portatili è condizionato dalla limitata libertà di movimento dovuta alla necessità di alta efficienza e dal peso dei materiali magnetici sfusi. Affinché l’accoppiamento sia efficiente, i lati primario e secondario devono essere ben allineati, e anche la distanza tra loro non deve superare lunghezze dell’ordine delle decine di centimetri. Per queste ragioni, l’accoppiamento induttivo è spesso usato per alimentare i veicoli elettrici.
Partendo dai principi di base dell’accoppiamento induttivo, è possibile aumentare le distanze di trasmissione attraverso la tecnica dell’accoppiamento magnetico risonante. Il concetto alla base dell’accoppiamento magnetico risonante è il seguente: una grande spirale induttiva eccitata da una sorgente a radiofrequenza può sfruttare la sua risonanza per indurre un modo risonante in un’altra struttura simile, posta a una certa distanza. Questo permette di ottenere un trasferimento di potenza senza utilizzare un campo radiativo, su una distanza che può essere anche quattro volte la dimensione della spirale (figura 3).
La corrente alternata a 50-60 Hz viene raddrizzata e convertita in corrente continua dal blocco raddrizzatore. Il segnale continuo alimenta poi il blocco RF, un amplificatore che converte la tensione continua in tensione a radiofrequenza utilizzata per guidare il loop nella trasmissione. Sul lato ricevente, il loop di risonanza in entrata trasmette il segnale RF al raddrizzatore, che alimenta il carico con una corrente continua opportunamente regolata. Anche se non è mostrato in figura, questi sistemi spesso includono reti di adattamento d’impedenza per ottenere un’efficienza trasmissiva accettabile tra sorgente e carico.
I sistemi possono essere rappresentati come un circuito RLC (figura 4) in cui, alla frequenza di risonanza, l’energia oscilla tra l’induttore L dove è immagazzinata nel campo magnetico e il condensatore C dove è accumulata nel campo elettrico. La qualità con cui il risonatore accumula energia è definita dal fattore di qualità Q, che è una funzione della frequenza di risonanza w0 e del fattore di perdita Γ:
Quando due risonatori simili sono posti uno vicino all’altro alla frequenza di risonanza, si verifica un accoppiamento tra loro, permettendo un trasferimento di energia. La formula seguente dà l’efficienza ottimale con cui avviene il trasferimento di energia:
Come si vede, essa dipende unicamente dal fattore di merito U che indica la bontà dell’accoppiamento.
Rispetto all’accoppiamento magnetico induttivo, l’accoppiamento magnetico risonante presenta notevoli vantaggi:
- l’assenza di nuclei di ferrite li rende più leggeri e quindi più integrabili;
- le distanze tra trasmettitore e ricevitore possono arrivare fino a 4 metri senza il vincolo altamente limitante di un perfetto allineamento tra le due spire;
L’allineamento delle bobine di ricezione e trasmissione nel campo di flusso e la distanza tra le bobine determinano l’efficienza con cui l’energia viene trasmessa. La frequenza di risonanza, il rapporto tra le dimensioni delle bobine di trasmissione e quelle delle bobine di ricezione, il fattore di accoppiamento, l’impedenza dell’avvolgimento e le correnti parassite della bobina sono altri fattori che hanno un grande impatto sull’efficienza energetica della trasmissione.
Protocollo Qi
Il sistema Qi è uno standard per il trasferimento di energia senza fili. Consiste di due moduli di base, cioè la stazione di base e il dispositivo mobile. La sua architettura del livello più alto è rappresentata nella figura 5.
La stazione base comprende uno o più trasmettitori di potenza: ognuno di essi può fornire funzionalità di trasferimento di potenza wireless a un singolo dispositivo mobile alla volta e consiste in linea di principio in un’unità di conversione di potenza e un’unità di controllo e comunicazione. Lo standard Qi è già presente sul mercato consumer, a bordo di una vasta gamma di dispositivi mobili. Ma anche il mondo sviluppato può beneficiare di questa tecnologia grazie a progetti come il recente TIDA-00881, una scheda di Texas Instruments progettata per aggiungere ad altre schede TI a basso consumo (comprese quelle della serie Launchpad) la funzionalità di alimentazione wireless Qi-compliant.
Infineon offre MOSFET di potenza per molti standard di ricarica wireless ed è un membro attivo del Wireless Power Consortium (WPC) e di AirFuel Alliance, i due principali consorzi aziendali per la tecnologia di ricarica wireless. L’AirFuel Alliance ha definito uno standard per la WPT risonante, che opera ad una frequenza di 6,78 MHz e permette la ricarica di più dispositivi contemporaneamente. In particolare, BSZ0909ND è adatto per architetture di ricarica wireless o componenti di pilotaggio (ad esempio, in droni o multi-motore) dove i progettisti hanno bisogno di semplificare il layout e risparmiare significativamente spazio, senza compromettere l’efficienza.
Si prega di visitare EDN Asia per l’articolo completo
L’elettronica di potenza sta giocando un ruolo sempre più importante in vari mercati come Automotive, Industriale e Consumer. È anche una tecnologia abilitante per una vasta gamma di funzioni nuove e migliorate che migliorano le prestazioni, la sicurezza e la funzionalità delle automobili e delle smart grid. Le impegnative richieste elettriche e termiche influenzano fortemente la progettazione dei sistemi elettronici di potenza. Power Electronics News si concentra su argomenti principali come Power Converter, Motion Control, Semiconductor e Thermal Management. Power Electronics News eBook è un approccio interattivo per informare sulle ultime tecnologie, tendenze e innovazioni di prodotto in mercati specifici.