Farklı kablosuz güç aktarım teknolojileri türleri ve çalışmaları

İster duvarlı AC kaynağınızdan ister bir pilden olsun, her elektronik sistem veya cihazın çalışması için elektrik gücüne ihtiyacı vardır. Bu elektrik gücü, piller, kondansatörler veya Süperkapasitörler gibi herhangi bir şarj edilebilir cihazda sonsuza kadar saklanamaz. Bu nedenle, dizüstü bilgisayarlar veya cep telefonları gibi taşınabilir cihazların pillerini düzenli olarak şarj etmek için AC güç hatlarına bağlanması gerekir.

Akıllı telefonlar, tabletler, kulaklıklar, Bluetooth hoparlörler gibi bu şarj edilebilir cihazları AC-DC adaptörlerine bağlamak için tipik olarak elektrik kabloları kullanılır. İki sistem arasında güç veya veri aktarmak için elektronik iletken kablolar kullanmak, elektriğin keşfinden bu yana en temel ve popüler yoldur. Ve insanlar şimdiye kadar elektrik kablolarını kullanmaktan memnunlar ancak teknolojinin gelişmesiyle insan güvenliği ve insanlığın güzellikteki mükemmellik açlığı, uzun süredir kaybolan Kablosuz güç aktarımı (WPT) veya kablosuz enerji iletimi (WET) kavramlarına yol açıyor. tarihte. Önceki yazılarımızın bazılarında, Kablosuz Güç Aktarımını ayrıntılı olarak açıkladık ve ayrıca Gücü bir LED'i yakacak şekilde kablosuz olarak aktarmak için bir devre kurduk.

Kablosuz güç aktarımı (WPT) için ilk önemli deneysel uygulama, mucit Nikola Tesla tarafından 1890'ların başında yapıldı. Deneyler sırasında, elektrik gücü, şimdi Tesla bobinleri olarak adlandırılan kıvılcımla uyarılan radyo frekansı rezonans transformatörleri kullanılarak endüktif ve kapasitif kuplaj ile iletilir. Bu deneyler kısmen başarılı olsalar da verimli değildirler ve yüksek yatırım gerektirirler. Böylece, daha sonra, bu deneyler hurdaya çıkarıldı ve teknoloji çalışması, uzun yıllar boyunca durakladı. Tesla bobinleri konseptini göstermek için ayrıca bir mini tesla bobini de yaptık.

Şu anda bile kablosuz olarak yüksek güç sağlamanın etkili bir yolu olmamasına rağmen, düşük gücü iki sistem arasında etkin bir şekilde aktarmak için mevcut teknolojik gelişmelerle bir devre tasarlamak mümkündür. Ve kablosuz şarj cihazları, gücü akıllı telefonlara ve diğer küçük elektronik cihazlara kablosuz olarak iletmesini sağlayan bu yeni geliştirilen devre temel alınarak tasarlanmıştır.

Kablosuz Şarj Cihazında kullanılan Çeşitli Kablosuz Şarj Teknolojisi

Kablosuz güç aktarımı kavramı popüler hale geldiğinden beri, hem bilim adamları hem de mühendisler bu kavramı gerçekleştirmek için çeşitli yollar buldular. Bu deneylerin çoğu başarısızlıklara veya pratik olmayan sonuçlara yol açsa da, bu deneylerden çok azı tatmin edici sonuçlar vermiştir. Kablosuz güç aktarımı elde etmek için test edilen ve çalışan bu yöntemlerin kendi avantajları, dezavantajları ve özellikleri vardır. Bu çeşitli yöntemler arasında, Kablosuz Şarj Cihazlarının tasarımında yalnızca bir çift kullanılır. Diğer yöntemlerin kendi uygulama alanları ve avantajları varken.

Şimdi daha iyi anlamak için, bu yöntemler iletim mesafesi, maksimum güç ve güç iletimini sağlamak için kullanılan yönteme göre sınıflandırılır. Aşağıdaki şekilde, kablosuz güç aktarım teknolojisine ulaşmak için kullanılan çeşitli yolları ve sınıflandırmalarını görebiliriz.

Buraya,

İlk ve en önemli sınıflandırma, güç transferinin ne kadar mümkün olduğuna dayanmaktadır. Denenen yöntemlerde, bazıları güç kaynağından yalnızca birkaç santimetre uzaktaki yüklere güç aktarırken, bazıları uzak mesafedeki yüklere kablosuz olarak güç sağlayabilir. Dolayısıyla ilk bölüm, yöntemin Yakın Alan mı yoksa Uzak Alan mı olduğuna bağlıdır.
Mesafe kapasitesindeki fark, kablosuz güç aktarımı sağlamak için çeşitli yöntemlerle kullanılan fenomen türüne bağlıdır. Örneğin, yöntem tarafından güç iletmek için kullanılan ortam Elektromanyetik İndüksiyon ise, maksimum mesafe 5 cm'den fazla olamaz. Bunun nedeni, manyetik akı kaybının, kaynak ve yük arasındaki mesafenin artmasıyla katlanarak artması, kabul edilemez güç kayıplarına yol açmasıdır. Öte yandan, yöntem tarafından güç sağlamak için kullanılan ortam Elektro Manyetik Radyasyon isemaksimum mesafe birkaç metreye kadar çıkabilir. Bunun nedeni, EMR'nin kaynaktan metrelerce uzakta olan bir odak noktasına konsantre olabilmesidir. Ayrıca, EMR'yi güç sağlamak için bir araç olarak kullanan yöntemler, diğerlerine kıyasla daha yüksek verimliliğe sahiptir.
Yukarıda bahsedilen birçok yönden bazıları diğerlerinden daha popülerdir ve yaygın olarak kullanılan popüler yöntemler aşağıda tartışılmıştır.

Bir orta Mikrodalga Gücü ve Lazer / hafif Güç olarak Elektro Manyetik Radyasyonu kullanan kablosuz güç iletimi için iki popüler yöntem vardır.

Mikrodalga Kablosuz Güç Aktarımı

Adından da anlaşılacağı üzere bu yöntemde, yüke güç sağlamak için EMR'nin Mikrodalga spektrumunu kullanacaktır. İlk olarak, verici bir prizden veya başka herhangi bir sabit güç kaynağından güç çekecek ve ardından bu AC gücünü gerekli seviyeye ayarlayacaktır. Bundan sonra, iletilen güç bu düzenlenmiş güç kaynağını tüketerek mikrodalgalar üretecektir. Mikrodalgalar, alıcıya veya yüke ulaşmak için herhangi bir kesinti olmaksızın havada hareket eder. Alıcı, bu mikrodalga radyasyonunu almak ve onu elektrik enerjisine dönüştürmek için uygun cihazlarla donatılacaktır. Bu dönüştürülmüş elektrik gücü, alıcıya ulaşılan mikrodalga radyasyon miktarı ile doğru orantılıdır ve bu nedenle Mikrodalga radyasyonu kullanılarak kablosuz güç aktarımı sağlanır.

Lazer Işığı Kablosuz Güç Aktarımı

Elektronik ve elektrik enerjisi ile uğraşan herhangi bir kişi, güneş enerjisi üretimi adı verilen bir konsepte rastlamış olmalıdır. Ve doğru hatırlarsanız, güneş enerjisi üretimi kavramı, elektrik üretmek için Güneşin Elektromanyetik Radyasyonunu kullanmaktan başka bir şey değildir. Bu dönüştürme işlemi, güneş panelleri, güneş enerjisiyle ısıtma veya başka herhangi bir sisteme dayandırılabilir ve bir güneş enerjisi şarj cihazı, güneş panelleri kullanılarak kolayca kurulabilir. Ancak buradaki kilit mesele, güneş tarafından dünyaya aktarılan enerjinin Elektro Manyetik Radyasyon formunda ve özellikle görünür spektrumda olması ve burada enerji transferinin kablosuz olarak yapılmasıdır. Bu nedenle, güneş enerjisi üretimi kavramının kendisi mega bir Kablosuz Güç İletim Sistemidir.

Şimdi, güneşi daha küçük bir EMR jeneratörüyle (veya sadece bir ışık kaynağıyla) değiştirirsek, üretilen radyasyonu ışık kaynağından yüzlerce metre uzaktaki bir yüke odaklayabiliriz. Bu odaklanmış ışık, alıcı modülün (veya yükün) güneş paneline ulaştığında, ışık enerjisini kablosuz güç aktarım kurulumunun asıl amacı olan elektrik enerjisine dönüştürür.

Şimdiye kadar, kaynaktan birkaç metre uzakta olan yüke güç sağlayabilen teknikleri veya yöntemleri tartıştık. Bu teknikler mesafe kabiliyetine sahip olmakla birlikte, hantal ve maliyetlidir, bu nedenle Mobil Şarj Cihazı tasarımına uygun değildir. Kablosuz şarj cihazlarının tasarımında kullanılabilecek en pratik yöntemler ' Endüktif Kuplaj Tipi' ve ' Manyetik Rezonant İndüksiyon'dur. Bunlar, kablosuz güç iletimini sağlamak için Faradays Elektromanyetik İndüksiyon Yasasını prensip olarak ve Manyetik akıyı yayılma fenomeni olarak kullanan iki yöntemdir.

Endüktif Kuplaj kullanarak Kablosuz Güç Aktarımı

Endüktif kuplajda kullanılan kurulum, Elektrik Transformatörü için kullanılana çok benzer. Daha iyi anlamak için, Endüktif Kuplaj Kablosuz Güç Aktarımı yönteminin tipik uygulama devresine bakalım.

Yukarıdaki işlevsel diyagramda, biri elektrik enerjisi iletim kurulumu ve diğeri elektrik gücü alıcı kurulumu olmak üzere iki bölümümüz var.
Her iki bölüm de birbirlerinden elektriksel olarak izole edilmiştir ve birkaç santimetre genişliğinde bir izolatör ile ayrılmıştır. Her iki bölümde herhangi bir elektriksel etkileşim olmasa da, aralarında manyetik bir bağlantı vardır.
Verici modülünde bulunan AC voltaj kaynağı, tüm sisteme güç sağlar.

Endüktif Kuplaj tipi Kablosuz İletimin Çalışması: Bobinin uç terminallerine bir AC voltaj kaynağı bağlı olduğu için en başından itibaren Verici modülünde iletken bobinde bir akım akışı mevcuttur. Ve bu akım akışı nedeniyle, bir ferrit çekirdeğin etrafına sıkıca sarılmış bobinin iletkenleri etrafında bir manyetik alan oluşturulmalıdır. Bir ortamın varlığı nedeniyle, bobinin tüm manyetik akısı ferrit çekirdek üzerinde yoğunlaşır. Bu akı, ferrit çekirdeğin ekseni boyunca hareket eder ve şekilde gösterildiği gibi iletim modülünün dışındaki boş alana çıkarılır.

Şimdi, alıcı modülü vericinin yanına getirirsek, verici tarafından yayılan manyetik akı, alıcı modülde bulunan bobini kesecektir. Verici modül tarafından üretilen akı değişken akı olduğundan, Faradays Elektromanyetik İndüksiyon Yasasına göre menziline getirilen iletkene bir EMF indüklenmelidir. Bu teoriye dayanarak, verici tarafından üretilen manyetik akıyı deneyimleyen alıcı bobine bir EMF de indüklenmelidir. Üretilen bu voltaj, sistem denetleyicisi için çok gerekli olan uygun bir DC voltajı elde etmek için düzeltilecek, filtrelenecek ve düzenlenecektir.

Bazı durumlarda, verici ve alıcıyı daha kompakt ve hafif hale getirmek için ferrit çekirdek de ortadan kaldırılır. Bu uygulamayı Kablosuz cep telefonu şarj cihazı ve Akıllı telefon çiftinde görebilirsiniz. Hepimizin bildiği gibi, şu anda yüksek performanslı akıllı telefonları ve daha hafif, daha ince ve daha soğuk olan diğer cihazları piyasaya sürmek için rekabet eden endüstriler. Tasarımcılar, performanstan ödün vermeden bu özelliklere ulaşmak için tam anlamıyla kabus görüyorlar, bu nedenle cihazı sadece kablosuz güç iletimi uğruna hantal yapmak kabul edilemez. Böylece tasarımcılar ve mühendisler, akıllı telefonlara ve tabletlere takılabilen daha ince ve daha hafif modüller ile geliyor.

Burada en son kablosuz şarj cihazının iç yapısını görebilirsiniz.

Kablosuz güç özelliğine sahip Smartphone da elektromanyetik indüksiyonu mümkün kılmak için benzer bir bobine sahip olacak. İnce bobinin akıllı telefonun alt ucunda bataryanın yanına nasıl takıldığını aşağıdaki şekilde görebilirsiniz. Mühendislerin bu kablosuz şarj cihazını performansından ödün vermeden nasıl bu kadar ince tasarladığını görebilirsiniz. Bu kurulumun çalışması, sarımın merkezinde herhangi bir ferrit çekirdeğe sahip olmaması dışında yukarıda tartışılan duruma benzer.

Elektromanyetik İndüksiyon yoluyla güç iletmenin bu yolu kolay görünse de, kablo yoluyla güç sağlamanın verimli bir yöntemiyle karşılaştırılamaz.

Manyetik Rezonans İndüksiyon tabanlı Kablosuz Güç Aktarımı

Manyetik Rezonant İndüksiyon, gücün iki rezonans devresi (ayarlanmış devreler) arasında manyetik alanlarla, biri vericide ve diğeri alıcıda aktarıldığı bir endüktif kuplaj biçimidir. Bu nedenle, Manyetik Rezonans Endüksiyon devresinin kurulumu, daha önce tartıştığımız Endüktif Kuplaj devresine çok benzer olmalıdır.

Seri kapasitörlerin varlığı dışında bu şekilde görebilirsiniz, tüm devre önceki duruma benzer.

Çalışma: Bu modelin çalışması da önceki duruma çok benzer, ancak burada verici ve alıcıda bulunan devreler rezonans frekansında çalışacak şekilde ayarlanmıştır. Bu rezonans etkisini elde etmek için kapasitörler özel olarak her iki bobin ile seri olarak bağlanmıştır.

Hepimizin bildiği gibi, indüktörlü seri bir kapasitör, şekilde gösterildiği gibi bir seri LC devresi oluşturacaktır. Ve bu devrenin rezonansta çalışacağı frekansın değeri şu şekilde verilebilir:

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Burada L = İndüktör değeri ve C = Kondansatör değeri.

Aynı formülü kullanarak, güç verici devresi için rezonans frekansının değerini hesaplayacağız ve AC güç kaynağı frekansını hesaplanan bu değere ayarlayacağız.

Kaynak frekansı bir kez ayarlandıktan sonra, alıcı devresi ile birlikte verici devresi rezonans frekansında çalışacaktır. Bundan sonra, önceki durumda tartıştığımız gibi Faradays İndüksiyon Yasasına göre alıcı devresinde bir EMF indüklenmelidir. Ve bu indüklenen EMF, şekilde gösterildiği gibi uygun bir DC voltajı elde etmek için düzeltilecek, filtrelenecek ve düzenlenecektir.

Şimdiye kadar, tipik uygulama devreleriyle birlikte kablosuz güç iletimi için kullanılabilecek çeşitli teknikleri tartıştık. Ve bu yöntemleri, kablosuz şarj cihazı, kablosuz elektrikli araç şarj sistemi, drone'lar, uçaklar vb. İçin kablosuz güç aktarımı gibi tüm kablosuz güç iletim sistemleri için devreler geliştirmek için kullanıyoruz.

Kablosuz Güç Aktarımı Standartları

Artık her şirket kendi üretimlerini ve şarj istasyonlarını geliştirirken, tüketicinin seçenekler okyanusu arasından en iyisini seçmesini sağlamak için tüm geliştiriciler arasında ortak standartlara ihtiyaç var. Bu nedenle, kablosuz güç aktarım sistemleri geliştirmeye çalışan tüm endüstriler tarafından birkaç standart takip edilmektedir.

Kablosuz şarj cihazı gibi kablosuz güç aktarım cihazlarını geliştirmek için kullanılan çeşitli standartlar:

'Qi' standartları - Wireless Power Consortium tarafından:

Teknoloji - Endüktif, Rezonans - Düşük Frekans
Düşük güç - 5W, Orta Güç - 15W, Qi 100W - 2.4kW arası kablosuz mutfak aletleri
Frekans aralığı - 110 - 205 kHz
Ürünler - 500'den fazla ürün ve 60'tan fazla cep telefonu şirketinde kullanılmaktadır

'PMA' standartları - Power Matter Alliance tarafından:

Teknoloji - Endüktif, Rezonans - Yüksek Frekans
Güç Çıkışı Maks. 3,5W - 50W arası
Frekans aralığı - 277 - 357 kHz
Ürünler - yalnızca 2, ancak 1,00,000 elektrikli mat ünitesi küresel olarak dağıtılır

Kablosuz Şarj Cihazının Avantajları

Kablosuz şarj cihazı, akıllı telefon, dizüstü bilgisayar, iPod, dizüstü bilgisayar, kulaklık vb. Ev tabanlı cihazları şarj etmek için çok kullanışlıdır.
Herhangi bir ortam olmadan güç aktarımı için uygun, güvenli ve etkili bir yol sağlar.
Çevre dostu - Bir insana veya herhangi bir canlıya zarar vermez veya zarar vermez.
Yaşam kalitesinde iyileşme sağlayan ve enfeksiyon riskini azaltan tıbbi implantları şarj etmek için kullanılabilir.
Güç krikosunun aşınması ve yıpranması konusunda her zaman endişelenmenize gerek yok.
Kablosuz şarj cihazlarının kullanımıyla güç kablosunun yönünü bozmak sona erdi.

Kablosuz Şarj Cihazının Dezavantajları

Daha az verimlilik ve daha fazla güç kaybı.
Kablo şarj cihazından daha pahalı.
Arızanın onarılması zordur.
Yüksek güç dağıtımı için uygun değildir.
Yük ile enerji kayıpları artar.