Jak działa bezprzewodowy transfer energii

Bezprzewodowe przenoszenie mocy to proces, w którym energia elektryczna jest przenoszona z jednego systemu do drugiego za pomocą fal elektromagnetycznych bez użycia przewodów lub fizycznego kontaktu.

W tym poście omawiamy, jak działa bezprzewodowy transfer mocy lub przesyłanie energii elektrycznej przez powietrze bez użycia przewodów.

Być może już spotkałeś tę technologię i przeszedłeś przez wiele powiązane teorie w Internecie.

Chociaż Internet może być pełen takich artykułów wyjaśniających koncepcję za pomocą przykładów i filmów, czytelnik przeważnie nie rozumie podstawowej zasady rządzącej technologią i jej perspektyw na przyszłość.

Jak działa bezprzewodowy transfer energii elektrycznej

W tym artykule postaramy się z grubsza zorientować się, w jaki sposób zachodzi lub działa bezprzewodowy przesył energii elektrycznej lub odbywa się przewodzenie i dlaczego pomysł jest tak trudny do wdrożenia na duże odległości.

Najbardziej powszechnym i klasycznym przykładem bezprzewodowego przesyłania energii jest nasza stara technologia radiowa i telewizyjna, która działa poprzez przesyłanie fal elektrycznych (RF) z jednego punktu do drugiego bez kabli, w celu zamierzonego przesyłania danych.

Trudność

Jednak wadą tej technologii jest to, że nie jest ona w stanie przenosić fal z dużym prądem tak, że przesyłana moc staje się znacząca i użyteczna po stronie odbiorczej do napędzania potencjalnego obciążenia elektrycznego.

Problem ten staje się trudny, ponieważ opór powietrza może mieścić się w zakresie milionów megaomów, a tym samym niezwykle trudny do przebicia.

Kolejnym problemem, który jeszcze bardziej utrudnia przenoszenie na duże odległości, jest możliwość ogniskowania mocy do celu.

Gdyby przesyłany prąd mógł rozproszyć się pod szerokim kątem, odbiornik docelowy może nie być w stanie odebrać wysłanej mocy i mógłby uzyskać tylko jej ułamek, co czyni operację wyjątkowo nieefektywną.

Jednak przesyłanie energii elektrycznej na krótkie odległości bez przewodów wygląda na znacznie łatwiejsze i zostało z powodzeniem wdrożone przez wielu, po prostu dlatego, że na krótkich odległościach omówione powyżej ograniczenia nigdy nie stają się problemem.

W przypadku bezprzewodowego przesyłania mocy na krótką odległość napotkany opór powietrza jest znacznie mniejszy, w zakresie kilku 1000 meg omów (lub nawet mniej, w zależności od poziomu bliskości), a transfer staje się możliwy dość wydajnie dzięki włączeniu wysokiego prądu i Wysoka częstotliwość.

Zdobycie optymalnego zasięgu

W celu uzyskania optymalnej sprawności odległościowo-prądowej, najważniejszym parametrem pracy staje się częstotliwość transmisji.

Wyższe częstotliwości umożliwiają skuteczniejsze pokonywanie większych odległości, dlatego jest to jeden z elementów, którym należy się kierować przy opracowywaniu bezprzewodowego urządzenia do przesyłania mocy.

Kolejnym parametrem ułatwiającym przenoszenie jest poziom napięcia, wyższe napięcia pozwalają na zastosowanie mniejszego prądu i zachowanie zwartości urządzenia.

Teraz spróbujmy uchwycić tę koncepcję poprzez prostą konfigurację obwodu:

Konfiguracja obwodu

Lista części

R1 = 10 omów
L1 = 9-0-9 zwojów, czyli 18 zwojów z centralnym zaczepem i drutem miedzianym super emaliowanym 30 SWG.
L2 = 18 zwojów przy użyciu drutu miedzianego super emaliowanego 30 SWG.
T1 = 2N2222
D1 ---- D4 = 1N4007
C1 = 100 uF / 25 V.
3 V = 2 ogniwa AAA 1,5 V połączone szeregowo

Powyższy obrazek przedstawia prosty obwód bezprzewodowego przesyłania energii składający się z stopnia nadajnika po lewej stronie i stopnia odbiornika po prawej stronie projektu.

Obydwa etapy można zobaczyć jako oddzielone znaczną szczeliną powietrzną dla zamierzonego przesunięcia energii elektrycznej.

Jak to działa

Stopień nadajnika mocy wygląda jak obwód oscylatora utworzony przez obwód sieci sprzężenia zwrotnego poprzez tranzystor NPN i cewkę indukcyjną.

Tak, zgadza się, nadajnik rzeczywiście jest stopniem oscylatora, który działa w układzie przeciwsobnym w celu indukowania pulsującego prądu o wysokiej częstotliwości w skojarzonej cewce (L1).

Indukowany prąd o wysokiej częstotliwości wytwarza odpowiednią ilość fal elektromagnetycznych wokół cewki.

Przy wysokiej częstotliwości to pole elektromagnetyczne może rozerwać się przez szczelinę powietrzną wokół niego i sięgnąć na dopuszczalną odległość w zależności od jego prądu znamionowego.

Można zauważyć, że stopień odbiornika składa się tylko z uzupełniającej się cewki indukcyjnej L2, dość podobnej do L1, która ma wyłączną rolę w przyjmowaniu transmitowanych fal elektromagnetycznych i przekształcaniu ich z powrotem w różnicę potencjałów lub energię elektryczną, aczkolwiek przy niższym poziomie mocy z powodu zaangażowanej transmisji straty w powietrzu.

Fale elektromagnetyczne generowane z L1 są wypromieniowywane dookoła, a L2 znajdujący się gdzieś w linii jest uderzany przez te fale EM. Kiedy tak się dzieje, elektrony wewnątrz przewodów L2 są zmuszane do oscylowania z taką samą szybkością jak fale elektromagnetyczne, co ostatecznie powoduje indukowaną elektryczność również w L2.

Energia elektryczna jest prostowana i odpowiednio filtrowana przez podłączony prostownik mostkowy, a C1 stanowi równoważne wyjście DC na pokazanych zaciskach wyjściowych.

Właściwie, jeśli uważnie przyjrzymy się zasadzie działania bezprzewodowego transferu mocy, stwierdzimy, że to nic nowego, ale nasza stara technologia transformatorowa, którą zwykle używamy w naszych zasilaczach, jednostkach SMPS itp.

Jedyną różnicą jest brak rdzenia, który zwykle znajdujemy w naszych zwykłych transformatorach zasilających. Rdzeń pomaga zmaksymalizować (skoncentrować) proces przenoszenia mocy i wprowadzić minimalne straty, co z kolei znacznie zwiększa sprawność

Wybór rdzenia cewki indukcyjnej

Rdzeń pozwala również na stosowanie stosunkowo niższych częstotliwości w procesie, z dokładnością do około 50 do 100 Hz w przypadku transformatorów z rdzeniem żelaznym, a do 100 kHz w przypadku transformatorów z rdzeniem ferrytowym.

Jednak w naszym proponowanym artykule dotyczącym działania bezprzewodowego transferu mocy, ponieważ dwie sekcje muszą być całkowicie oddalone od siebie, użycie rdzenia staje się wykluczone, a system jest zmuszony do pracy bez komfortu rdzenia wspomagającego.

Bez rdzenia staje się istotne, aby zastosować stosunkowo wyższą częstotliwość, a także wyższy prąd, tak aby transfer mógł się zainicjować, co może być bezpośrednio zależne od odległości między etapami nadawania i odbioru.

Podsumowując koncepcję

Podsumowując, z powyższej dyskusji możemy założyć, że aby zaimplementować optymalne przenoszenie mocy drogą powietrzną, musimy uwzględnić w projekcie następujące parametry:

Prawidłowo dobrany współczynnik cewki w odniesieniu do zamierzonej indukcji napięcia.

Wysoka częstotliwość rzędu 200 kHz do 500 kHz lub wyższa dla cewki nadajnika.

I wysoki prąd dla cewki nadajnika, w zależności od odległości, na jaką promieniowane fale elektromagnetyczne muszą być przesłane.

Aby uzyskać więcej informacji na temat działania transferu bezprzewodowego, prosimy o komentarz.