Erilaisia ​​langattomia virransiirtotekniikoita ja niiden toimintaa

Jokainen elektroninen järjestelmä tai laite tarvitsee sähkövirtaa toimiakseen, olipa se sitten seinään kytketty verkkovirta tai akku. Tätä sähkövirtaa ei voida varastoida loputtomasti mihinkään ladattavaan laitteeseen, kuten akkuihin, lauhduttimiin tai superkondensaattoreihin. Joten kaikki kannettavat laitteet, kuten kannettavat tietokoneet tai matkapuhelimet, on kytkettävä verkkovirtaan, jotta akut voidaan ladata säännöllisesti.

Tyypillisesti sähkökaapeleita käytetään näiden ladattavien laitteiden, kuten älypuhelinten, tablettien, kuulokkeiden, Bluetooth-kaiuttimien jne., Liittämiseen AC-DC-sovittimiin. Sähköisten johtinkaapeleiden käyttö virran tai datan siirtämiseen kahden järjestelmän välillä on perustavanlaatuisin ja suosituin tapa itse sähkön löytämisen jälkeen. Ja ihmiset ovat onnellisia sähkökaapeleista tähän asti, mutta tekniikan kehittyessä ihmisten turvallisuus ja ihmiskunnan kauneudenhalu johtavat langattoman virransiirron (WPT) tai langattoman energiansiirron (WET) käsitteisiin kuvaksi, joka on kadonnut historiassa. Joissakin aikaisemmissa artikkeleissamme olemme selittäneet langatonta voimansiirtoa yksityiskohtaisesti ja rakentaneet myös piirin virran langattomaan siirtämiseen LED-valon hehkuttamiseksi.

Ensimmäisen huomattavan langattoman tehonsiirron (WPT) kokeellisen sovelluksen teki 1890-luvun alussa keksijä Nikola Tesla. Kokeiden aikana sähkötehoa välitetään induktiivisella ja kapasitiivisella kytkennällä käyttämällä kipinävälitteisiä radiotaajuisia resonanssimuuntajia, joita nyt kutsutaan Tesla-keloiksi. Vaikka nämä kokeet ovat osittain onnistuneita, ne eivät ole tehokkaita ja vaativat suuria investointeja. Joten myöhemmin nämä kokeet romutetaan ja teknologiatutkimus pysähtyi monien vuosien kerrokseen. Olemme myös rakentaneet mini tesla-kelan esittelemään Tesla-kelojen konseptia.

Vaikka edes nyt ei ole tehokasta tapaa toimittaa suurta tehoa langattomasti, on mahdollista suunnitella piiri nykyisten teknisten kehitysten avulla pienen tehon siirtämiseksi kahden järjestelmän välillä tehokkaasti. Ja langattomat laturit on suunniteltu tämän äskettäin kehitetyn piirin perusteella, jonka avulla se voi toimittaa virtaa älypuhelimiin ja muihin pieniin elektronisiin laitteisiin langattomasti.

Erilaisia ​​langattomassa laturissa käytettävää langatonta lataustekniikkaa

Siitä lähtien, kun langattoman virransiirron käsite tuli suosituksi, sekä tutkijat että insinöörit keksivät erilaisia ​​tapoja toteuttaa tämä käsite. Vaikka suurin osa näistä kokeista johti epäonnistumiseen tai epäkäytännöllisiin tuloksiin, harvat näistä kokeista tuottivat tyydyttäviä tuloksia. Näillä testatuilla ja toimivilla tavoilla saavuttaa langaton virransiirto on omat edut, haitat ja ominaisuudet. Näiden eri menetelmien joukossa vain paria käytetään langattomien laturien suunnittelussa. Muilla menetelmillä on oma käyttöalue ja edut.

Paremman ymmärtämisen vuoksi nämä menetelmät luokitellaan lähetyksen etäisyyden, maksimitehon ja sähkönsiirron saavuttamiseksi käytetyn menetelmän perusteella. Alla olevasta kuvasta voidaan nähdä erilaisia ​​tapoja, joilla saavutetaan langaton virransiirtotekniikka, ja niiden luokittelu.

Tässä,

• Ensimmäinen ja tärkein luokitus perustuu siihen, kuinka pitkälle virransiirto on mahdollista. Kokeellisissa menetelmissä jotkut pystyvät toimittamaan virtaa langattomasti kuormille suurella etäisyydellä, kun taas toiset voivat tuottaa virtaa vain muutaman senttimetrin päässä lähteestä oleville kuormille. Joten ensimmäinen jako perustuu siihen, onko menetelmä Lähikenttä vai Far Field.
• Etäisyys kapasiteetissa perustuu ilmiötyyppiin, jota erilaiset menetelmät käyttävät langattoman tehonsiirron saavuttamiseksi. Esimerkiksi, jos väliaine, jota menetelmällä käytetään virran toimittamiseen, on sähkömagneettinen induktio, suurin etäisyys voi olla korkeintaan 5 cm. Tämä johtuu siitä, että magneettivuon menetys kasvaa eksponentiaalisesti lähteen ja kuorman välisen etäisyyden kasvaessa, mikä johtaa sietämättömiin tehohäviöihin. Toisaalta, jos väliaine, jota menetelmällä käytetään virran toimittamiseen, on sähkömagneettinen säteilysilloin suurin etäisyys voi ylittää muutaman metrin. Tämä johtuu siitä, että EMR voidaan keskittää keskipisteeseen, joka on metrin päässä lähteestä. Myös menetelmillä, jotka käyttävät EMR: ää väliaineena sähkön tuottamiseen, on suurempi hyötysuhde muihin verrattuna.
• Jotkut edellä mainituilla tavoilla jotkut ovat suosittuja kuin toiset, ja laajalti käytettyjä suosittuja menetelmiä käsitellään jäljempänä.

Langattomalla voimansiirrolla on kaksi suosittua tapaa, joissa käytetään sähkömagneettista säteilyä keskikokoisena - mikroaaltoteho ja laser- / valoteho

Langaton mikroaaltouuni

Koska nimi itse antaa sen pois tässä menetelmässä, se käyttää EMR: n mikroaaltospektriä kuormitettavan tehon toimittamiseen. Ensinnäkin lähetin vetää virtaa pistorasiasta tai muusta vakaasta virtalähteestä ja säätää sitten tämän vaihtovirran vaaditulle tasolle. Sen jälkeen lähetetty teho tuottaa mikroaaltoja kuluttamalla tätä säänneltyä virtalähdettä. Mikroaallot kulkevat ilman läpi keskeytyksettä saavuttaakseen vastaanottimen tai kuorman. Vastaanotin on varustettu sopivilla laitteilla tämän mikroaaltosäteilyn vastaanottamiseksi ja muuntamiseksi sähköenergiaksi. Tämä muunnettu sähköteho on suoraan verrannollinen vastaanottimeen saavutetun mikroaaltosäteilyn määrään ja siten saavutetaan langaton tehonsiirto mikroaaltosäteilyn avulla.

Langaton laservalon voimansiirto

Jokaisen elektroniikkaa ja sähköä käsittelevän henkilön olisi pitänyt törmätä aurinkosähköntuotantoon. Ja jos muistat oikein, aurinkosähköntuotannon käsite ei ole muuta kuin auringon sähkömagneettisen säteilyn käyttö sähkön tuottamiseen. Tämä muunnosprosessi voi perustua aurinkopaneelijärjestelmiin, aurinkolämmitykseen tai mihin tahansa muuhun, ja aurinkovirtalaturi voidaan helposti rakentaa aurinkopaneeleilla. Mutta avainkysymys on tässä, kuinka aurinko siirtää maapallolle sähkömagneettisen säteilyn muodossa ja on nimenomaan näkyvässä spektrissä ja energian siirto tapahtuu täällä langattomasti. Siksi aurinkosähköntuotannon käsite on itsessään mega langaton sähkönsiirtojärjestelmä.

Jos nyt aurinko korvataan pienemmällä EMR-generaattorilla (tai yksinkertaisesti valonlähteellä), voimme keskittää syntyvän säteilyn kuormaan, joka on satojen metrien päässä valonlähteestä. Kun tämä kohdennettu valo saavuttaa vastaanotinmoduulin (tai kuorman) aurinkopaneelin, se muuntaa valoenergian sähkötehoksi, mikä on langattoman voimansiirron asetusten alkuperäinen tavoite.

Tähän asti olemme keskustelleet tekniikoista tai menetelmistä, jotka kykenevät tuottamaan virtaa kuormitukseen muutaman metrin päässä lähteestä. Vaikka näillä tekniikoilla on etäisyydet, ne ovat isoja ja kalliita, joten ne eivät sovi mobiililaturin suunnitteluun. Käytännöllisimpiä menetelmiä, joita voidaan käyttää langattomien laturien suunnittelussa, ovat ' Induktiivinen kytkentätyyppi' ja ' Magneettiresonanssin induktio '. Nämä ovat kaksi menetelmää, jotka käyttävät Faradaysin sähkömagneettisen induktion lakia periaatteena ja magneettivuon etenevänä ilmiönä langattoman voimansiirron saavuttamiseksi.

Langaton voimansiirto induktiivisella kytkennällä

Induktiivisessa kytkennässä käytetty asetus on hyvin samanlainen kuin sähkömuuntajan. Paremman ymmärtämisen vuoksi tarkastellaan langattoman virransiirtomenetelmän Induktiivinen kytkentä tyypillistä sovelluspiiriä.

• Yllä olevassa toiminnallisessa kaaviossa meillä on kaksi osaa, joista toinen on sähkövoimansiirtoasetus ja toinen on sähkötehovastaanottimen asetus.
• Molemmat osat on eristetty toisiinsa sähköisesti ja erotettu pari senttimetriä leveällä eristeellä. Vaikka molemmilla osilla ei ole mitään sähköistä vuorovaikutusta, niiden välillä on kuitenkin magneettinen kytkentä.
• Lähetinmoduulissa oleva vaihtovirtajännitelähde tuottaa virtaa koko järjestelmälle.

Induktiivisen kytkentätyyppisen langattoman lähetyksen toiminta: Lähettimen moduulissa on alusta alkaen johtokäämin virtaus, koska kelan pääteliittimiin on kytketty vaihtovirtajännitelähde. Ja tämän virran vuoksi magneettikenttä tulisi syntyä kelan johtimien ympärille, joka on kiedottu tiukasti ferriittisydämen ympärille. Väliaineen läsnäolon takia kelan kaikki magneettivuot keskittyvät ferriittisydämelle. Tämä virtaus liikkuu ferriittisydämen akselia pitkin ja työntyy lähetysmoduulin ulkopuolella olevaan vapaaseen tilaan, kuten kuvassa on esitetty.

Jos nyt tuomme vastaanotinmoduulin lähettimen lähelle, lähettimen lähettämä magneettivuo leikkaa vastaanottimessa olevan kelan. Koska lähetinmoduulin tuottama vuon vaihtelu vaihtelee, EMF on indusoitava sen alueelle tuotavaan johtimeen Faradaysin sähkömagneettisen induktion lain mukaan. Tämän teorian perusteella myös EMF on indusoitava vastaanottimen kelaan, joka kokee lähettimen tuottaman magneettivuon. Tämä generoitu jännite korjataan, suodatetaan ja säädetään oikean tasajännitteen saamiseksi, jota tarvitaan suuresti järjestelmän ohjaimelle.

Joissakin tapauksissa ferriittisydän eliminoidaan myös lähettimen ja vastaanottimen pienentämiseksi ja keventämiseksi. Näet tämän sovelluksen langattoman matkapuhelimen laturissa ja älypuhelinparissa. Kuten me kaikki tunnemme teollisuuden, kilpailemme tällä hetkellä niskasta kaulaan vapauttamaan tehokkaita älypuhelimia ja muita kevyempiä, ohuempia ja viileämpiä laitteita. Suunnittelijoilla on kirjaimellisesti painajaisia ​​näiden ominaisuuksien saavuttamiseksi suorituskykyä vaarantamatta, joten laitteen tekeminen isoksi vain langattoman voimansiirron vuoksi ei ole hyväksyttävää. Joten suunnittelijat ja suunnittelijat keksivät ohuempia ja kevyempiä moduuleja, jotka voidaan asentaa älypuhelimiin ja tabletteihin.

Täältä näet uusimman langattoman laturin sisäisen rakenteen.

Älypuhelimessa, jossa on langaton virrankyky, on myös samanlainen kela sähkömagneettisen induktion mahdollistamiseksi. Alla olevasta kuvasta näet, kuinka ohut kela on kiinnitetty älypuhelimen alaosaan lähellä akkua. Voit nähdä, kuinka insinöörit suunnittelivat tämän langattoman laturin niin ohueksi tinkimättä sen suorituskyvystä. Tämän kokoonpanon toiminta on samanlainen kuin edellä käsitelty tapaus, paitsi että siinä ei ole ferriittiydintä käämityksen keskellä.

Vaikka tämä tapa lähettää sähköä sähkömagneettisen induktion kautta näyttää helpolta, mutta se ei ole verrattavissa tehokkaaseen tapaan toimittaa virtaa kaapelin kautta.

Magneettiresonanssin induktiopohjainen langaton virransiirto

Magneettiresonanssin induktio on induktiivisen kytkennän muoto, jossa magneettikentät siirtävät tehon kahden resonanssipiirin (viritetyn piirin) välillä, yhden lähettimessä ja toisen vastaanottimessa. Tämän vuoksi magneettiresonanssin induktiopiirin asennuksen on oltava hyvin samanlainen kuin aiemmin keskusteltu induktiivinen kytkentäpiiri.

Tässä kuvassa näkyy paitsi sarjakondensaattoreiden läsnäolo, että koko piiri on samanlainen kuin edellisessä tapauksessa.

Työskentely: Tämän mallin toiminta on myös hyvin samanlainen kuin edellisessä tapauksessa, paitsi että lähettimessä ja vastaanottimessa olevat piirit on viritetty toimimaan resonanssitaajuudella. Kondensaattorit on erityisesti kytketty sarjaan molempien kelojen kanssa tämän resonanssivaikutuksen saavuttamiseksi.

Koska me kaikki tiedämme, että kondensaattori sarjassa induktorin kanssa muodostaa sarjan LC-piirin, kuten kuvassa on esitetty. Ja taajuuden arvo, jolla tämä piiri toimii resonanssilla, voidaan antaa, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Tässä L = induktorin arvo ja C = kondensaattorin arvo.

Samaa kaavaa käyttämällä lasketaan resonanssitaajuuden arvo teholähetinpiirille ja säädetään vaihtovirtalähteen taajuus laskettuun arvoon.

Kun lähdetaajuus on säädetty, lähetinpiiri yhdessä vastaanotinpiirin kanssa toimii resonanssitaajuudella. Tämän jälkeen EMF on indusoitava vastaanotinpiirissä Faradaysin induktiolain mukaisesti, kuten keskustelimme edellisessä tapauksessa. Ja tämä indusoitu EMF korjataan, suodatetaan ja säädetään oikean tasajännitteen saamiseksi kuvan osoittamalla tavalla.

Tähän asti olemme keskustelleet erilaisista tekniikoista, joita voidaan käyttää langattomaan virransiirtoon, tyypillisten sovelluspiirien ohella. Ja käytämme näitä menetelmiä kehitettäessä piirejä kaikille langattomille voimansiirtojärjestelmille, kuten langattomalle laturille, langattomalle sähköajoneuvojen latausjärjestelmälle, langattomalle voimansiirrolle droneille, lentokoneille jne.

Langattomat virransiirtostandardit

Nyt kun jokainen yritys kehittää omia tuotantojaan ja latausasemiaan, kaikkien kehittäjien keskuudessa tarvitaan yhteiset standardit, jotta kuluttaja voi valita parhaan valinnan valtameren joukosta. Joten kaikki teollisuudenalat, jotka työskentelevät langattomien voimansiirtojärjestelmien kehittämisessä, noudattavat pari standardia.

Eri standardit, joita käytetään langattomien virransiirtolaitteiden, kuten langattoman laturin, kehittämiseen:

Qi-standardit - Wireless Power Consortium:

• Tekniikka - induktiivinen, resonanssi - matala taajuus
• Pieni teho - 5 W, keskiteho - 15 W, Qi-langattomat keittiökoneet 100 W: sta 2,4 kW: iin
• Taajuusalue - 110-205 kHz
• Tuotteet - yli 500 tuotetta ja niitä käytetään yli 60 matkapuhelinyrityksessä

PMA-standardit - Power Matter Alliance:

• Tekniikka - induktiivinen, kaikuva - korkea taajuus
• Virta ulos enintään 3,5 W - 50 W
• Taajuusalue - 277 - 357 kHz
• Tuotteet - vain 2 mutta 1 000 000 tehomattoyksikköä jaetaan maailmanlaajuisesti

Langattoman laturin edut

• Langaton laturi on erittäin hyödyllinen kotipohjaisten laitteiden, kuten älypuhelimen, kannettavan tietokoneen, iPodin, kannettavan, kuulokkeiden, jne. Lataamiseen,
• Se tarjoaa kätevän, turvallisen ja tehokkaan tavan siirtää energiaa ilman mitään väliainetta.
• Ympäristöystävällinen - ei vahingoita eikä vahingoita ihmistä tai elävää olentoa.
• Sitä voidaan käyttää lääketieteellisten implanttien lataamiseen, mikä parantaa elämänlaatua ja vähentää infektioriskiä.
• Ei tarvitse tavallista huolehtia virtaliittimen kulumisesta.
• Virtajohdon suunnan murskaaminen on ohi langattomien laturien avulla.

Langattoman laturin haitat

• Vähemmän tehokkuutta ja enemmän tehohäviöitä.
• Maksaa enemmän kuin kaapelilatauslaite.
• Vian korjaaminen on vaikeaa.
• Ei sovellu suuritehoiseen toimitukseen.
• Energiahäviöt kasvavat kuormituksen mukana.