Multe dispozitive tehnologice de ultimă generație alimentate cu baterii prevăd posibilitatea de reîncărcare fără conectarea fizică la o sursă de alimentare, ci prin simpla susținere la o stație de bază specială, care de altfel nu trebuie neapărat să fie furnizată de același producător al dispozitivului. Dacă aparatele de la diferiți producători pot interopera între ele, acest lucru se datorează existenței unor standarde deschise, de foarte multe ori dezvoltate de un consorțiu format din diferite mărci interesate de dezvoltarea tehnologiei respective.
Conceptul de transfer de energie fără fir este cunoscut de ceva timp, mai precis de peste 100 de ani, și datează de la inventarea bobinei Tesla. Un factor cheie în transmiterea de energie fără fir este eficiența: pentru a putea defini eficient sistemul, o mare parte din energia transmisă de generator trebuie să ajungă la dispozitivul receptor. Cele două tipuri de procese de cuplaj inductiv care pot fi utilizate pentru transferul fără fir în câmp apropiat sunt cuplajul inductiv standard și cuplajul inductiv rezonant.
În general, cuplajul inductiv standard este practicabil la o distanță de comunicare relativ scurtă, deoarece cea mai mare parte a fluxului magnetic nu este conectată între bobine, iar câmpurile magnetice se dezintegrează rapid. Cuplajul inductiv rezonant oferă o eficiență mai mare (până la 95%) și funcționează chiar și la distanțe relativ mari (câțiva metri), având în vedere că bobina rezonantă reduce semnificativ pierderile de energie, permițând transferul de energie de la o bobină la alta.
Aplicații
Transferul de energie fără fir (WPT) poate fi utilizat atât pentru a alimenta direct dispozitivul, cum ar fi luminile LED sau un televizor, cât și pentru a reîncărca o baterie, cum ar fi un telefon mobil, prin simpla plasare a acestuia la bord. Comunicarea între dispozitivele medicale implantate în corpul uman și echipamentele externe este cunoscută de mult timp. Un exemplu este dat de parametrii de diagnostic transmis de un pacificator către exterior. În această aplicație, un cuplaj inductiv între o mică cotitură plasată în carcasa dispozitivului și una mai mare poziționată pe pieptul pacientului permite comunicarea. Cu toate acestea, dispozitivele medicale implantate trebuie să fie alimentate corespunzător și, deși utilizarea bateriilor litiu-ion le permite să funcționeze în mod autonom, înlocuirea acestora necesită operațiuni invazive cu riscuri relative pentru sănătatea pacientului. Tehnologia WPT poate remedia această problemă prin intermediul sistemelor de încărcare fără fir. În ultimii ani, aplicarea tehnologiei WPT în domeniul mobilității electronice durabile a stârnit un interes crescând în instituțiile de cercetare, în special în Asia. În prezent, vehiculele electrice trebuie să fie conectate, prin intermediul unui conector, la o priză electrică pentru reîncărcarea bateriilor. Transferul de energie fără fir permite eliminarea acestor conectori și permite reîncărcarea automată (figura 1).
Tehnologie
Câmpul electromagnetic care radiază de la o antenă capătă caracteristici care depind de distanța față de elementul radiant. În special, putem distinge două zone: zona de câmp apropiat și zona de câmp îndepărtat.
Un exemplu pe care îl cunoaștem cu toții este transformatorul, care transferă energie de la o bobină primară la una secundară fără conexiune electrică directă, ci folosind cuplajul magnetic inductiv. Transformatoarele sunt realizate cu miezuri de ferită și necesită o aliniere precisă între partea primară și cea secundară pentru a obține o cuplare puternică. Figura 2 prezintă schema bloc a unui circuit tipic care implementează un cuplaj magnetic inductiv.
Primul etaj este reprezentat de un invertor, care convertește curentul continuu (DC) în curent alternativ (AC) la frecvența corespunzătoare (de obicei, în intervalul dintre sute de kilohertzi și câțiva megahertzi). După aceea, o rețea de adaptare a impedanței ajustează impedanța văzută de bobina de emisie în funcție de sarcină, astfel încât se poate obține o eficiență de aproximativ 90%. Următoarea etapă este compusă din bobinele de emisie și, respectiv, de recepție, utilizate pentru a genera câmpul magnetic și pentru a-l intercepta. O a doua rețea de adaptare a impedanței asigură faptul că sarcina vede impedanța corespunzătoare și, în cele din urmă, un redresor convertește curentul alternativ într-un curent continuu stabil datorită unui regulator de tensiune.
Utilizarea acestei tehnologii în dispozitivele electronice portabile este condiționată de libertatea limitată de mișcare din cauza necesității unei eficiențe ridicate și de greutatea materialelor magnetice în vrac. Pentru ca cuplajul să fie eficient, partea primară și cea secundară trebuie să fie bine aliniate și, de asemenea, distanța dintre ele nu trebuie să depășească lungimi de ordinul zecilor de centimetri. Din aceste motive, cuplajul inductiv este adesea utilizat pentru alimentarea vehiculelor electrice.
Princepând de la principiile de bază ale cuplării inductive, este posibil să se mărească distanțele de transmisie prin tehnica cuplării magnetice rezonante. Conceptul care stă la baza cuplării magnetice rezonante este următorul: o spirală inductivă mare excitată de o sursă de radiofrecvență poate exploata rezonanța sa pentru a induce un mod rezonant într-o altă structură similară, plasată la o anumită distanță. Acest lucru permite obținerea unui transfer de putere fără a utiliza un câmp radiativ, pe o distanță care poate fi chiar de patru ori mai mare decât dimensiunea spiralei (figura 3).
Curentul alternativ de 50-60 Hz este redresat și convertit în curent continuu de către blocul redresor. Semnalul continuu alimentează apoi blocul RF, un amplificator care convertește tensiunea continuă în tensiune de frecvență radio utilizată pentru a conduce bucla în transmisie. Pe partea de recepție, bucla de rezonanță de intrare transmite semnalul RF către redresor, care alimentează sarcina cu un curent continuu reglat corespunzător. Deși nu sunt prezentate în figură, aceste sisteme includ adesea rețele de adaptare de impedanță pentru a obține o eficiență de transmisie acceptabilă între sursă și sarcină.
Sistemele pot fi reprezentate ca un circuit RLC (figura 4) în care, la frecvența de rezonanță, energia oscilează între inductorul L, unde este stocată în câmpul magnetic, și condensatorul C, unde este acumulată în câmpul electric. Calitatea cu care rezonatorul acumulează energie este definită de factorul de calitate Q, care este funcție de frecvența de rezonanță w0 și de factorul de pierderi Γ:
Când două rezonatoare similare sunt plasate aproape unul de celălalt la frecvența de rezonanță, se produce un cuplaj între ele, permițând un transfer de energie. Următoarea formulă dă eficiența optimă cu care are loc transferul de energie:
După cum se poate observa, aceasta depinde exclusiv de factorul de merit U care indică bonitatea cuplării.
În comparație cu cuplajul magnetic inductiv, cuplajul magnetic rezonant prezintă avantaje considerabile:
- absența miezurilor de ferită le face mai ușoare și, prin urmare, mai integrabile;
- distanțele dintre emițător și receptor pot ajunge până la 4 metri fără constrângerea extrem de limitativă a unei alinieri perfecte între cele două bucle;
Alinierea bobinelor de recepție și de emisie în câmpul de curgere și distanța dintre bobine determină eficiența cu care se transmite energia. Frecvența de rezonanță, raportul dintre dimensiunile bobinelor de transmisie și cele ale bobinelor de recepție, factorul de cuplaj, impedanța înfășurării și curenții paraziți ai bobinei sunt alți factori care au un mare impact asupra eficienței transmiterii energiei.
Protocolul Qi
Sistemul Qi este un standard pentru transferul de energie fără fir. Acesta este alcătuit din două module de bază, și anume stația de bază și dispozitivul mobil. Arhitectura sa de cel mai înalt nivel este reprezentată în figura 5.
Stația de bază include unul sau mai multe emițătoare de energie: fiecare dintre acestea poate asigura funcționalitatea de transfer de energie fără fir către un singur dispozitiv mobil la un moment dat și constă, în principiu, dintr-o unitate de conversie a energiei și o unitate de control și comunicare. Standardul Qi este deja prezent pe piața de consum, la bordul unei game largi de dispozitive mobile. Dar chiar și lumea dezvoltată poate beneficia de această tehnologie datorită unor proiecte precum recentul TIDA-00881, o placă Texas Instruments concepută pentru a adăuga la alte plăci TI cu consum redus de energie (inclusiv cele din seria Launchpad) funcționalitatea de alimentare cu energie electrică fără fir conformă cu Qi.
Infineon oferă MOSFET-uri de putere pentru multe standarde de încărcare fără fir și este un membru activ al Wireless Power Consortium (WPC) și AirFuel Alliance, cele două consorții corporative de top pentru tehnologia de încărcare fără fir. AirFuel Alliance a definit un standard pentru WPT rezonant, care funcționează la o frecvență de 6,78 MHz și permite încărcarea simultană a mai multor dispozitive. În special, BSZ0909ND este potrivit pentru arhitecturi de încărcare fără fir sau componente de pilotare (de exemplu, în drone sau multimotor), unde proiectanții trebuie să simplifice aspectul și să economisească semnificativ spațiul, fără a compromite eficiența.
Vă rugăm să vizitați EDN Asia pentru articolul complet
