Muitos dispositivos tecnológicos de última geração alimentados por baterias oferecem a possibilidade de recarga sem a conexão física a uma fonte de alimentação, mas através do simples suporte a uma estação base especial, que além do mais não tem que ser necessariamente fornecida pelo mesmo fabricante do dispositivo. Se aparelhos de diferentes fabricantes são capazes de interoperar entre si, é devido à existência de padrões abertos, muitas vezes desenvolvidos por um consórcio de várias marcas interessadas no desenvolvimento daquela dada tecnologia.
O conceito de transferência de energia sem fio é conhecido há algum tempo, mais de 100 anos para ser preciso, e remonta à invenção da bobina Tesla. Um fator chave na transmissão de energia sem fio é a eficiência: para poder definir efetivamente o sistema, uma grande parte da energia transmitida pelo gerador deve chegar ao dispositivo receptor. Os dois tipos de processos de acoplamento indutivo que podem ser usados para transferência sem fio próximo ao campo são o acoplamento indutivo padrão e o acoplamento indutivo ressonante.
Geralmente, o acoplamento indutivo padrão é praticável a uma distância de comunicação relativamente curta, uma vez que a maior parte do fluxo magnético não é conectado entre as bobinas e os campos magnéticos decaem rapidamente. O acoplamento indutivo ressonante oferece maior eficiência (até 95%) e funciona mesmo a distâncias relativamente longas (vários metros), já que a bobina ressonante reduz significativamente as perdas de energia permitindo a transferência de energia de uma bobina para outra.
Aplicações
Transferência de energia sem fio (WPT) pode ser usada tanto para alimentar diretamente o dispositivo, como luzes LED ou uma TV, como para recarregar uma bateria, como um telefone celular, simplesmente colocando-o a bordo. A comunicação entre os dispositivos médicos implantados no corpo humano e os equipamentos externos é conhecida há muito tempo. Um exemplo é dado pelos parâmetros de diagnóstico transmitidos por um pacificador para o exterior. Nesta aplicação, um acoplamento indutivo entre uma pequena volta colocada na caixa do dispositivo e uma maior posicionada no peito do paciente permite a comunicação. Entretanto, os dispositivos médicos implantados precisam ser alimentados adequadamente e, embora o uso de baterias de íons de lítio permita que operem de forma autônoma, sua substituição requer operações invasivas com riscos relativos à saúde do paciente. A tecnologia WPT pode resolver este problema através de sistemas de carga sem fios. Nos últimos anos, a aplicação da tecnologia WPT no campo da mobilidade eletrônica sustentável tem tido um interesse crescente em instituições de pesquisa, especialmente na Ásia. Atualmente, os veículos elétricos precisam ser conectados, através de um conector, a uma tomada elétrica para recarregar as baterias. A transferência de energia sem fio permite a eliminação de tais conectores e possibilita a recarga automática (figura 1).
Tecnologia
O campo eletromagnético que irradia de uma antena assume características que dependem da distância do elemento radiante. Em particular, podemos distinguir duas áreas: área do campo próximo e área do campo distante.
Um exemplo que todos conhecemos é o transformador, que transfere energia de uma bobina primária para uma secundária sem ligação eléctrica directa, mas utilizando o acoplamento indutivo magnético. Os transformadores são feitos com núcleos de ferrite e requerem um alinhamento preciso entre o lado primário e o secundário para conseguir um acoplamento forte. A Figura 2 mostra o diagrama de blocos de um circuito típico que implementa um acoplamento magnético indutivo.
O primeiro estágio é representado por um inversor, que converte corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC) na freqüência apropriada (tipicamente na faixa entre centenas de kilohertz e vários megahertz). Depois disso, uma rede de correspondência de impedância ajusta a impedância vista pela bobina de transmissão de acordo com a carga, de modo a que se possa alcançar uma eficiência de cerca de 90%. A etapa seguinte é composta pelas bobinas emissora e receptora, respectivamente, utilizadas para gerar o campo magnético e para interceptá-lo. Uma segunda rede de correspondência de impedância garante que a carga veja a impedância apropriada e, finalmente, um retificador converte a corrente alternada em corrente contínua estável graças a um regulador de tensão.
A utilização desta tecnologia em dispositivos eletrônicos portáteis é condicionada pela limitada liberdade de movimento devido à necessidade de alta eficiência e pelo peso dos materiais magnéticos a granel. Para que o acoplamento seja eficiente, os lados primário e secundário devem estar bem alinhados, e também a distância entre eles não deve exceder comprimentos da ordem de dezenas de centímetros. Por estas razões, o acoplamento indutivo é frequentemente utilizado para a alimentação de veículos eléctricos.
A partir dos princípios básicos do acoplamento indutivo, é possível aumentar as distâncias de transmissão através da técnica do acoplamento magnético ressonante. O conceito por trás do acoplamento magnético ressonante é o seguinte: uma grande espiral indutiva excitada por uma fonte de radiofrequência pode explorar sua ressonância para induzir um modo ressonante em outra estrutura similar, colocada a uma certa distância. Isto permite obter uma transferência de potência sem utilizar um campo radiativo, numa distância que pode ser até quatro vezes o tamanho da espiral (figura 3).
A corrente alternada de 50-60 Hz é retificada e convertida em corrente contínua pelo bloco retificador. O sinal contínuo fornece então o bloco de RF, um amplificador que converte a tensão DC em tensão de radiofreqüência usada para acionar o laço na transmissão. No lado receptor, o laço de ressonância de entrada transmite o sinal de RF para o retificador, que alimenta a carga com uma corrente contínua devidamente regulada. Embora não mostrados na figura, estes sistemas muitas vezes incluem redes de correspondência de impedância para alcançar uma eficiência transmissiva aceitável entre a fonte e a carga.
Os sistemas podem ser representados como um circuito RLC (figura 4) no qual, na freqüência de ressonância, a energia oscila entre o indutor L onde é armazenada no campo magnético e o condensador C onde é acumulada no campo elétrico. A qualidade com que o ressonador acumula energia é definida pelo fator de qualidade Q, que é uma função da freqüência de ressonância w0 e do fator de perda Γ:
Quando dois ressonadores semelhantes são colocados próximos um do outro na freqüência de ressonância, ocorre um acoplamento entre eles, permitindo uma transferência de energia. A seguinte fórmula dá a eficiência ótima com a qual a transferência de energia ocorre:
Como pode ser visto, depende apenas do fator de mérito U que indica a bondade do acoplamento.
Comparado ao acoplamento indutivo magnético, o acoplamento magnético ressonante tem vantagens consideráveis:
- a ausência de núcleos de ferrite torna-os mais leves e portanto mais integráveis;
- as distâncias entre o transmissor e o receptor podem atingir até 4 metros sem a restrição altamente limitadora de um alinhamento perfeito entre os dois laços;
o alinhamento das bobinas receptoras e transmissoras no campo de fluxo e a distância entre as bobinas determinam a eficiência com que a energia é transmitida. A freqüência de ressonância, a relação entre as dimensões das bobinas de transmissão e as das bobinas receptoras, o fator de acoplamento, a impedância do enrolamento e as correntes parasitas da bobina são outros fatores que têm um grande impacto na eficiência da energia de transmissão.
Protocolo Qi
O sistema Qi é um padrão para a transferência de energia sem fio. É composto por dois módulos básicos, nomeadamente a estação base e o dispositivo móvel. Sua arquitetura do mais alto nível é representada na Figura 5.
A estação base inclui um ou mais transmissores de potência: cada um deles pode fornecer funcionalidade de transferência de potência sem fio para um único dispositivo móvel de cada vez e consiste, em princípio, de uma unidade de conversão de potência e uma unidade de controle e comunicação. O padrão Qi já está presente no mercado consumidor, a bordo de uma ampla gama de dispositivos móveis. Mas mesmo o mundo desenvolvido pode se beneficiar desta tecnologia graças a projetos como o recente TIDA-00881, uma placa da Texas Instruments projetada para adicionar a outras placas de baixa potência TI (incluindo as da série Launchpad) a funcionalidade de fornecimento de energia sem fio Qi-compliant.
Infineon oferece MOSFETs de energia para muitos padrões de carregamento sem fio e é um membro ativo do Wireless Power Consortium (WPC) e AirFuel Alliance, os dois principais consórcios corporativos para tecnologia de carregamento sem fio. A AirFuel Alliance definiu um padrão para WPT ressonante, que opera a uma freqüência de 6,78 MHz e permite a carga de múltiplos dispositivos simultaneamente. Em particular, o BSZ0909ND é adequado para arquiteturas de carregamento sem fio ou componentes de pilotagem (por exemplo, em drones ou motores múltiplos) onde os projetistas precisam simplificar o layout e economizar significativamente espaço, sem comprometer a eficiência.
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