Μια επισκόπηση της ασύρματης τεχνολογίας φόρτισης

Η ασύρματη φόρτιση είναι η διαδικασία επαναφόρτισης ηλεκτρονικών συσκευών με μπαταρία χωρίς να τις συνδέετε απευθείας χρησιμοποιώντας καλώδια και καλώδια σε πηγή τροφοδοσίας. Η διαδικασία δίνει στους χρήστες την ελευθερία να φορτίζουν το τηλέφωνό τους εν κινήσει χωρίς να χρειάζεται να συνδέονται στην πρίζα. Αυτό σημαίνει ότι τα smartphone με δυνατότητα ασύρματης φόρτισης και άλλες συσκευές θα μπορούσαν να φορτιστούν απλώς τοποθετώντας τα σε ένα τραπεζάκι του καφέ για παράδειγμα ή ακόμα και πιο πολύπλοκα μηχανήματα όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μπορούν να φορτιστούν απλώς τοποθετώντας τα στο γκαράζ ή μέσω δρόμου με ασύρματη φόρτιση. Εξαλείφει όλα τα θέματα ασφάλειας που σχετίζονται με τη φόρτιση μέσω καλωδίου και ανοίγει την πόρτα σε ένα νέο είδος ελευθερίας για τους χρήστες.

Η ασύρματη φόρτιση χρονολογείται από τα τέλη του 1800 όταν η Nikola Tesla ανέπτυξε το πηνίο tesla που υποτίθεται ότι θα βοηθούσε στην ασύρματη μετάδοση ισχύος, ενώ το πείραμα δεν κατάφερε να επιτύχει τον στόχο εκείνη τη στιγμή, προκάλεσε ενδιαφέρον για το πεδίο και πολύ περισσότεροι άνθρωποι άρχισαν να εργάζονται Η ιδέα. Το 2006, το MIT άρχισε να δοκιμάζει τη χρήση συντονισμού συντονισμού για τη μετάδοση μεγάλης ποσότητας ενέργειας και αυτό άνοιξε το δρόμο για μερικές από τις μεγάλες τεχνολογίες ασύρματης φόρτισης που υπάρχουν σήμερα. Μπορείτε να δείτε αυτό το πείραμα για να δημιουργήσετε ένα πηνίο Mini Tesla για την ασύρματη μετάδοση ισχύος.

Πώς λειτουργεί η ασύρματη μετάδοση ισχύος

Η ασύρματη φόρτιση αναφέρεται μερικές φορές ως επαγωγική φόρτιση επειδή βασίζεται στην αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Όπως και το ασύρματο σύστημα επικοινωνίας, η ασύρματη φόρτιση επιτυγχάνεται μέσω της δράσης ενός ασύρματου πομπού και δέκτη ενέργειας. Ο ασύρματος πομπός φόρτισης που συνήθως αναφέρεται ως σταθμός φόρτισης είναι συνδεδεμένος σε μια πρίζα και μεταδίδει την ενέργεια που παρέχεται μέσω της εξόδου στον δέκτη, ο οποίος είναι πάντα συνδεδεμένος στη συσκευή για φόρτιση και τοποθετείται πολύ κοντά στον ασύρματο σταθμό φόρτισης.

Ακολουθεί ένα μπλοκ διάγραμμα για να περιγράψετε τα στοιχεία ενός ασύρματου συστήματος φόρτισης και διαδικασίας φόρτισης:

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η ασύρματη φόρτιση αξιοποιεί την αρχή της μαγνητικής επαγωγής που χρησιμοποιείται σε μετασχηματιστές ηλεκτρικής ισχύος, γεννήτριες και κινητήρες, έτσι ώστε η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός πηνίου να προκαλεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο γύρω από αυτό το πηνίο που προκαλεί ένα ρεύμα σε ένα άλλο συζευγμένο πηνίο. Αυτή είναι η αρχή πίσω από τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος πηνίου σε έναν ηλεκτρικό μετασχηματιστή, παρόλο που φαίνεται ηλεκτρικά απομονωμένοι. Στην ασύρματη φόρτιση καθένα από τα στοιχεία (ο πομπός και ο δέκτης) που αποτελούν το σύστημα διαθέτει πηνίο. Το πηνίο πομπού μπορεί να παρομοιαστεί με το πρωτεύον πηνίο ενώ το πηνίο δέκτη μπορεί να παρομοιαστεί με το δευτερεύον πηνίο ενός μετασχηματιστή ηλεκτρικής ισχύος. Όταν ένας σταθμός φόρτισης είναι συνδεδεμένος σε τροφοδοτικό AC,η παρεχόμενη ισχύς διορθώνεται σε DC από το σύστημα ανορθωτή μετά το οποίο το σύστημα μεταγωγής αναλαμβάνει. Ο λόγος για την αλλαγή είναι να είναι σε θέση να παράγει την μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή που απαιτείται για να προκαλέσει φορτία στο πηνίο δέκτη.

Το πηνίο δέκτη συλλέγει την εισερχόμενη ισχύ και τη μεταδίδει στο κύκλωμα δέκτη που μετατρέπει την εισερχόμενη ισχύ σε DC και στη συνέχεια εφαρμόζει την ισχύ που λαμβάνει για τη φόρτιση της μπαταρίας.

Όπως καθορίστηκε παραπάνω, η μεταφορά ισχύος συμβαίνει όταν η μαγνητική ροή, που δημιουργείται με τη δημιουργία εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου στο πηνίο πομπού, μετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο δέκτη. Η ποσότητα του παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος εξαρτάται από την ποσότητα της ροής που παράγεται από τον πομπό και από το πόση ποσότητα της ροής που το πηνίο δέκτη μπόρεσε να συλλάβει. Η ποσότητα ροής που δέχεται ο δέκτης εξαρτάται από τον «συντελεστή ζεύξης» που καθορίζεται από το μέγεθος, την απόσταση και τη θέση του πηνίου δέκτη σε σχέση με το πηνίο του πομπού. Αυτό σημαίνει ότι ένας υψηλότερος συντελεστής ζεύξης θα έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη μεταφορά ενέργειας. Για να αυξήσει τις πιθανότητες υψηλότερου συντελεστή ζεύξης, ορισμένοι ασύρματοι σταθμοί φόρτισης έχουν σχεδιαστεί με πολλαπλά πηνία πομπού, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Πρότυπα ασύρματης φόρτισης

Τα Πρότυπα Ασύρματης Φόρτισης αναφέρονται στο σύνολο κανόνων που διέπουν το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ασύρματων συσκευών. Επί του παρόντος, δύο διαφορετικά βιομηχανικά πρότυπα για ασύρματη φόρτιση προωθούνται από διαφορετικούς φορείς.

1. Πρότυπο Rezence

2. Πρότυπο QI

Το πρότυπο Rezence βασίζεται σε συντονισμένη επαγωγική φόρτιση έτσι ώστε η φόρτιση να συμβαίνει όταν τόσο τα πηνία πομπού όσο και δέκτη είναι συντονισμένα. Με αυτό το πρότυπο, οι συσκευές μπορούν να επιτύχουν μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη για φόρτιση. Αυτό το πρότυπο προωθείται από τη Συμμαχία για ασύρματη ισχύ (A4WP).

Το πρότυπο QI από την άλλη πλευρά επιτυγχάνει ασύρματη μεταφορά ενέργειας χρησιμοποιώντας στενή σύζευξη μεταξύ των πηνίων και έναντι του προτύπου Rezence , το πηνίο πομπού και δέκτη είναι πάντα σχεδιασμένο να λειτουργεί σε ελαφρώς διαφορετικές συχνότητες καθώς πιστεύεται ότι παρέχεται περισσότερη ισχύς με αυτή τη ρύθμιση. Το QI Standard προωθείται από την ασύρματη κοινοπραξία ισχύος που περιλαμβάνει μέλη όπως η Apple inc, η Qualcomm, η HTC για να αναφέρουμε μερικά.

Μπορείτε να επιλέξετε το ασύρματο πρότυπο που ταιριάζει καλύτερα στην εφαρμογή σας λαμβάνοντας υπόψη τις αντισταθμίσεις μεταξύ του EMI, της αποτελεσματικότητας και της ελευθερίας ευθυγράμμισης μεταξύ των δύο προτύπων. Ωστόσο, ορισμένοι ασύρματοι σταθμοί φόρτισης έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν και τα δύο πρότυπα, παρέχουν υψηλή διαλειτουργικότητα μεταξύ συσκευών.

Απλή σχεδίαση σετ ασύρματου φορτιστή

Πριν δημιουργήσετε ένα ασύρματο σύστημα φόρτισης πρέπει να ληφθούν υπόψη τα ακόλουθα.

1. Τυπικό: Όταν εξοπλίζετε μια συσκευή με δυνατότητες ασύρματης φόρτισης, το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνετε είναι να επιλέξετε το πρότυπο ασύρματης ισχύος που ταιριάζει στη συσκευή και τις περιπτώσεις χρήσης της. Ορισμένα συστήματα φόρτισης βασίζονται σε πολλά πρότυπα.

2. Επιλογή πηνίου: Το επόμενο πράγμα είναι να επιλέξετε τον σωστό τύπο πηνίου και γεωμετρία πηνίου για να ταιριάζει στη θήκη χρήσης. Οι προμηθευτές παρέχουν αυτά τα πηνία σε τυποποιημένους μετρητές, επομένως η επιλογή των κατάλληλων θα πρέπει να βασίζεται στη σύσταση του δελτίου δεδομένων του ασύρματου πομπού φόρτισης IC που θα χρησιμοποιηθεί.

3. Περίβλημα: Κατά το σχεδιασμό ασύρματων συστημάτων, είναι σημαντικό το περίβλημα των συσκευών να μην είναι μεταλλικό και να είναι σχετικά επίπεδης επιφάνειας για την επίτευξη υψηλότερου συντελεστή ζεύξης μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Το μέταλλο εμποδίζει αποτελεσματικά την ενέργεια που μεταδίδεται να φτάσει στο δέκτη και το πλαστικό περίβλημα πρέπει να είναι σχεδιασμένο ώστε να είναι εξαιρετικά λεπτό.

Σχεδιασμός πομπού

Το ασύρματο σύστημα φόρτισης περιλαμβάνει τόσο τον πομπό όσο και τον δέκτη όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ακολουθεί το σχήμα που δείχνει το σχεδιασμό ενός πομπού.

Υπάρχουν τρία κύρια συστατικά που αποτελούν τον πομπό. την πηγή ισχύος, το πηνίο πομπού και το κύκλωμα μεταγωγής. Η πηγή ισχύος είναι συνήθως DC από ένα διορθωμένο AC. Μετά την διόρθωση, το κύκλωμα μεταγωγής χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του εναλλασσόμενου σήματος που χρησιμοποιείται στη δημιουργία του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου για την πρόκληση μεταφοράς ρεύματος από τον πομπό στον δέκτη μέσω του πηνίου πομπού.

Σχεδιασμός δέκτη

Ο σχεδιασμός του δέκτη είναι παρόμοιος με αυτόν του πομπού, εκτός εάν η δράση γίνεται με αντίστροφη σειρά. Ο δέκτης αποτελείται από ένα πηνίο δέκτη, ένα δίκτυο συντονισμού και έναν ανορθωτή και ένα IC φορτιστή που χρησιμοποιεί την έξοδο του κυκλώματος ανορθωτή για να φορτίσει τη συνδεδεμένη μπαταρία. Ένα παράδειγμα του κυκλώματος δέκτη φαίνεται στην παρακάτω εικόνα με τα λειτουργικά μέρη επισημασμένα. Αυτό το παράδειγμα βασίζεται στο IC φόρτισης LTC4120.

Εφαρμογές

Η ασύρματη φόρτιση χρησιμοποιείται επί του παρόντος σε πολλές εφαρμογές, όπως:

1. Smartphone και φορετά
2. Σημειωματάρια και tablet
3. Ηλεκτρικά εργαλεία και ρομπότ σέρβις, όπως ηλεκτρικές σκούπες
4. Πολύπτερα και ηλεκτρικά παιχνίδια
5. Ιατρικές συσκευές
6. Φόρτιση στο αυτοκίνητο

Εκτός από τους φανταστικούς λόγους για τους οποίους πρέπει να χρησιμοποιείτε ασύρματη φόρτιση, όπως δεν χρειάζεται να συνδέσετε μια συσκευή και κανένα ζήτημα συμβατότητας βύσματος, η ασύρματη φόρτιση παρέχει ασφάλεια από κινδύνους που σχετίζονται με την απευθείας σύνδεση στο δίκτυο. Επιπλέον, είναι αξιόπιστο σε σκληρότερα περιβάλλοντα, όπως διάτρηση και εξόρυξη και επιτρέπει την απρόσκοπτη φόρτιση εν κινήσει. Τέλος, η ασύρματη φόρτιση εξαλείφει το μπλέξιμο και άλλα χάσματα που δημιουργούνται από καλώδια. Μόλις χάραμε το πρόσωπο της ασύρματης φόρτισης με αρκετές νέες εφαρμογές, κάθε σχεδιασμός προϊόντος που γίνεται με γνώμονα το μέλλον θα πρέπει να επιδιώκει να ενσωματώσει την ασύρματη φόρτιση, καθώς είναι σίγουρα ένας από τους τρόπους με τους οποίους θα φορτίσουμε τις μπαταρίες με συσκευές στο εγγύς μέλλον.