Uma visão geral da tecnologia de carregamento sem fio

Carregamento sem fio é o processo de recarregar dispositivos eletrônicos alimentados por bateria sem conectá-los diretamente com fios e cabos a uma fonte de alimentação. O processo dá aos usuários a liberdade de carregar seus telefones em qualquer lugar, sem a necessidade de conectá-los à tomada. Isso significa que smartphones e outros dispositivos com carregamento sem fio podem ser carregados simplesmente colocando-os em uma mesa de centro, por exemplo, ou até mesmo máquinas mais complexas, como carros elétricos, podem ser carregados simplesmente estacionando-os na garagem ou rodando habilitado para carregamento sem fio. Ele elimina todos os problemas de segurança associados ao carregamento por cabo e abre a porta para um novo tipo de liberdade para os usuários.

O carregamento sem fio remonta ao final de 1800, quando Nikola Tesla desenvolveu a bobina de Tesla que deveria ajudar a transmitir energia sem fio, embora o experimento falhou em atingir o objetivo na época, ele despertou interesse no campo e muito mais pessoas começaram a trabalhar nele a ideia. Em 2006, o MIT começou a testar o uso de acoplamento ressonante para transmitir grandes quantidades de energia e isso abriu o caminho para algumas das grandes tecnologias de carregamento sem fio que existem hoje. Você pode verificar este experimento para construir uma bobina Mini Tesla para transmitir energia sem fio.

Como funciona a transmissão de energia sem fio

O carregamento sem fio às vezes é chamado de carregamento indutivo porque se baseia no princípio da indução eletromagnética. Assim como o sistema de comunicação sem fio, o carregamento sem fio é obtido por meio da ação de um transmissor e receptor de energia sem fio. O transmissor de carregamento sem fio geralmente conhecido como estação de carregamento é conectado a uma tomada elétrica e transmite a energia fornecida através da tomada para o receptor, que está sempre conectado ao dispositivo a ser carregado e colocado próximo à estação de carregamento sem fio.

Abaixo está um diagrama de blocos para descrever os componentes de um sistema de carregamento sem fio e processo de carregamento:

Como mencionado anteriormente, o carregamento sem fio se aproveita do princípio de indução magnética usado em transformadores, geradores e motores de energia elétrica, de modo que a passagem da corrente elétrica através de uma bobina causa uma mudança no campo magnético em torno dessa bobina que induz uma corrente em outra bobina acoplada. Este é o princípio por trás da transferência de energia elétrica entre a bobina primária e secundária em um transformador elétrico, mesmo que pareçam eletricamente isoladas. No carregamento sem fio cada um dos componentes (o transmissor e o receptor) que compõem o sistema possui uma bobina. A bobina transmissora pode ser comparada à bobina primária, enquanto a bobina receptora pode ser comparada à bobina secundária de um transformador de energia elétrica. Quando uma estação de carregamento é conectada à fonte de alimentação AC,a energia fornecida é retificada para DC pelo sistema retificador, após o qual o sistema de comutação assume. A razão para a comutação é ser capaz de gerar o fluxo magnético variável necessário para induzir cargas na bobina receptora.

A bobina receptora coleta a energia de entrada e a passa para o circuito receptor, que converte a energia de entrada em CC e, em seguida, aplica a energia recebida para carregar a bateria.

Conforme estabelecido acima, a transferência de energia ocorre quando o fluxo magnético, criado pelo estabelecimento de um campo magnético alternado na bobina transmissora, é convertido em uma corrente elétrica na bobina receptora. A quantidade de corrente elétrica gerada depende da quantidade de fluxo gerado pelo transmissor e quanto desse fluxo a bobina receptora foi capaz de capturar. A quantidade de fluxo que o receptor captura depende do “fator de acoplamento”, que é determinado pelo tamanho, distância e posicionamento da bobina receptora em relação à bobina transmissora. Isso significa que um fator de acoplamento maior resultará em maior transferência de energia. Para aumentar as chances de um fator de acoplamento mais alto, certas estações de carregamento sem fio são projetadas com várias bobinas de transmissão, conforme mostrado na imagem abaixo.

Padrões de carregamento sem fio

Os padrões de carregamento sem fio referem-se ao conjunto de regras que regem o projeto e o desenvolvimento de dispositivos sem fio. Atualmente, dois padrões diferentes da indústria para carregamento sem fio estão sendo promovidos por órgãos diferentes.

1. Padrão de Rezence

2. Padrão QI

O padrão Rezence é baseado na carga indutiva ressonante, de forma que a carga ocorre quando as bobinas do transmissor e do receptor estão em ressonância. Com este padrão, os dispositivos podem alcançar uma distância maior entre o transmissor e o receptor para carregamento. Este padrão está sendo promovido pela Alliance para energia sem fio (A4WP).

O padrão QI, por outro lado, alcança a transferência de energia sem fio usando acoplamento estreito entre as bobinas e contra o padrão Rezence , a bobina transmissora e receptora são sempre projetadas para operar em frequências ligeiramente diferentes, pois acredita-se que mais energia é fornecida usando esta configuração. O QI Standard está sendo promovido pelo consórcio de energia sem fio que inclui membros como Apple Inc., Qualcomm, HTC, para citar alguns.

Você pode selecionar o padrão sem fio que melhor se adapta à sua aplicação, considerando as compensações entre EMI, eficiência e a liberdade de alinhamento entre os dois padrões. No entanto, certas estações de carregamento sem fio são projetadas para suportar ambos os padrões, eles fornecem alta interoperabilidade entre os dispositivos.

Design de conjunto de carregador sem fio simples

Antes de construir um sistema de carregamento sem fio, o seguinte deve ser levado em consideração.

1. Padrão: ao equipar um dispositivo com recursos de carregamento sem fio, a primeira coisa a fazer é selecionar o padrão de energia sem fio que se adapta ao dispositivo e seus casos de uso. Certos sistemas de cobrança são baseados em vários padrões.

2. Seleção da bobina: O próximo passo é selecionar o tipo e a geometria da bobina corretos para se adequar ao caso de uso. Os fornecedores fornecem essas bobinas em medidores padrão, portanto, a seleção da apropriada deve ser baseada na recomendação da ficha técnica do transmissor de carregamento sem fio IC a ser usado.

3. Gabinete: Ao projetar sistemas sem fio, é importante que o gabinete dos dispositivos não seja de metal e tenha uma superfície relativamente plana para obter um fator de acoplamento mais alto entre o transmissor e o receptor. O metal evita efetivamente que a energia transmitida chegue ao receptor e o invólucro de plástico deve ser projetado para ser ultrafino.

Projeto do Transmissor

O sistema de carregamento sem fio compreende o transmissor e o receptor, conforme declarado anteriormente. Abaixo está o esquema que mostra o design de um transmissor.

Existem três componentes principais que constituem o transmissor; a fonte de alimentação, a bobina transmissora e o circuito de comutação. A fonte de alimentação é geralmente CC de uma CA retificada. Após a retificação, o circuito de comutação é usado para gerar o sinal alternado usado na criação do campo magnético variável para induzir a transferência de corrente do transmissor para o receptor através da bobina do transmissor.

Desenho do receptor

O design do receptor é semelhante ao do transmissor, exceto que a ação ocorre na ordem inversa. O receptor consiste em uma bobina receptora, rede de ressonância, retificador e um carregador IC que usa a saída do circuito retificador para carregar a bateria conectada. Um exemplo do circuito receptor é mostrado na imagem abaixo com as partes funcionais em destaque. Este exemplo é baseado no CI de carregamento LTC4120.

Formulários

O carregamento sem fio está sendo usado em muitas aplicações, incluindo:

1. Smartphones e wearable
2. Notebooks e tablets
3. Ferramentas elétricas e robôs de serviço, como aspiradores de pó
4. Multicópteros e brinquedos elétricos
5. Dispositivos médicos
6. Carregamento no carro

Além das razões extravagantes pelas quais você deve usar o carregamento sem fio, como a necessidade de conectar um dispositivo e nenhum problema de compatibilidade de plugue, o carregamento sem fio oferece proteção contra perigos relacionados à conexão direta à rede elétrica. Além disso, é confiável em ambientes mais adversos, como perfuração e mineração, e permite carregamento perfeito em movimento. Finalmente, o carregamento sem fio elimina o emaranhamento e outras bagunças criadas pelos fios. Acabamos de arriscar a cara do carregamento sem fio com várias aplicações inovadoras, cada projeto de produto sendo feito com o futuro em mente deve buscar incorporar o carregamento sem fio como certamente uma das maneiras de carregar dispositivos alimentados por bateria no futuro próximo.