Diferentes tipos de tecnologias de transferência de energia sem fio e seu funcionamento

Todo sistema ou dispositivo eletrônico precisa de energia elétrica para funcionar, seja da fonte de alimentação CA ou da bateria. Esta energia elétrica não pode ser armazenada infinitamente em nenhum dispositivo recarregável como baterias, condensadores ou Supercapacitores. Portanto, todos os dispositivos portáteis, como laptops ou telefones celulares, precisam ser conectados a linhas de energia CA para recarregar as baterias regularmente.

Normalmente, cabos elétricos são usados para conectar esses dispositivos recarregáveis como smartphones, tablets, fones de ouvido, alto-falantes Bluetooth, etc. a adaptadores AC-DC. Usar cabos condutores eletrônicos para transferir energia ou dados entre dois sistemas é a forma mais básica e popular desde a descoberta da própria eletricidade. E as pessoas estão felizes com o uso de cabos elétricos até agora, mas com o avanço da tecnologia, a segurança humana e a fome da humanidade por perfeição em beleza levam aos conceitos de transferência de energia sem fio (WPT) ou transmissão de energia sem fio (WET) em imagem que está perdida há muito tempo na história. Em alguns de nossos artigos anteriores, explicamos a transmissão de energia sem fio em detalhes e também construímos um circuito para transferir a energia sem fio para acender um LED.

A primeira aplicação experimental considerável para transferência de energia sem fio (WPT) foi feita no início de 1890 pelo inventor Nikola Tesla. Durante os experimentos, a energia elétrica é transmitida por acoplamento indutivo e capacitivo usando transformadores ressonantes de frequência de rádio excitados por centelha, agora chamados de bobinas de Tesla. Embora esses experimentos sejam parcialmente bem-sucedidos, eles não são eficientes e exigem alto investimento. Então, mais tarde, esses experimentos são descartados e o estudo da tecnologia ficou estagnado por muitos anos. Também construímos uma mini bobina Tesla para demonstrar o conceito das bobinas Tesla.

Embora ainda não haja uma maneira eficaz de fornecer alta potência sem fio, é possível projetar um circuito com os avanços tecnológicos atuais para transferir baixa potência entre dois sistemas de forma eficaz. E os carregadores sem fio são projetados com base neste circuito recém-desenvolvido que permite fornecer energia para smartphones e outros pequenos dispositivos eletrônicos sem fio.

Várias tecnologias de carregamento sem fio usadas no carregador sem fio

Desde que o conceito de transferência de energia sem fio se tornou popular, cientistas e engenheiros criaram várias maneiras de concretizar esse conceito. Embora a maioria desses experimentos tenha levado a falhas ou resultados pouco práticos, poucos deles produziram resultados satisfatórios. Essas maneiras testadas e funcionando para obter transferência de energia sem fio têm suas próprias vantagens, desvantagens e recursos. Entre esses vários métodos, apenas alguns são usados no projeto de carregadores sem fio. Enquanto outros métodos têm sua própria área de aplicação e vantagens.

Agora, para melhor compreensão, esses métodos são classificados com base na distância de transmissão, potência máxima e método usado para alcançar a transmissão de potência. Na figura abaixo, podemos ver várias maneiras usadas para obter a tecnologia de transferência de energia sem fio e sua classificação.

Aqui,

A primeira e mais importante classificação é baseada em quão longe é possível a transferência de potência. Nos métodos experimentados, alguns são capazes de fornecer energia sem fio para cargas a grandes distâncias, enquanto outros só podem fornecer energia para cargas a apenas alguns centímetros de distância da fonte. Portanto, a primeira divisão é baseada em se o método é Near Field ou Far Field.
A diferença na capacidade de distância vem com base no tipo de fenômeno usado por vários métodos para obter transferência de energia sem fio. Por exemplo, se o meio usado pelo método para fornecer energia for indução eletromagnética, a distância máxima não pode ser superior a 5 cm. Isso ocorre porque a perda de fluxo magnético aumenta exponencialmente com o aumento da distância entre a fonte e a carga, o que leva a perdas de energia inaceitáveis. Por outro lado, se o meio usado pelo método para fornecer energia for a radiação eletromagnéticaentão, a distância máxima pode chegar a alguns metros. Isso ocorre porque o EMR pode ser concentrado em um ponto focal que está a metros de distância da fonte. Além disso, métodos que usam EMR como meio para fornecer energia têm maior eficiência quando comparados com outros.
Das muitas maneiras mencionadas acima, alguns são mais populares do que outros e os métodos populares usados amplamente são discutidos abaixo.

Existem dois métodos populares para transmissão de energia sem fio que usam radiação eletromagnética como um meio - energia de micro-ondas e energia de laser / luz

Transferência de energia sem fio de microondas

Como o próprio nome indica, neste método, ele usará o espectro de microondas do EMR para fornecer energia para a carga. Primeiro, o transmissor extrairá energia de uma tomada ou qualquer outra fonte de energia estável e, em seguida, regulará essa energia CA para o nível necessário. Depois disso, a energia transmitida irá gerar microondas ao consumir esta fonte de alimentação regulada. As microondas viajam pelo ar sem nenhuma interrupção para chegar ao receptor ou à carga. O receptor será equipado com dispositivos apropriados para receber essa radiação de microondas e convertê-la em energia elétrica. Esta energia elétrica convertida é diretamente proporcional à quantidade de radiação de micro-ondas que chega ao receptor e, portanto, é obtida a transferência de energia sem fio usando radiação de micro-ondas.

Laser Light Wireless Power Transfer

Qualquer pessoa que lida com eletrônica e energia elétrica deve ter se deparado com um conceito chamado geração de energia solar. E se você se lembra corretamente, o conceito de geração de energia solar nada mais é do que usar a radiação eletromagnética do sol para gerar eletricidade. Este processo de conversão pode ser baseado em sistemas de painéis solares, aquecimento solar ou qualquer outro e um carregador de energia solar pode ser facilmente construído usando painéis solares. Mas a questão chave aqui é que a energia transferida pelo sol para a terra está na forma de radiação eletromagnética e está especificamente no espectro visível e a transferência de energia aqui feita sem fio. Portanto, o conceito de geração de energia solar é em si um mega sistema de transmissão de energia sem fio.

Agora, se substituirmos o sol por um gerador EMR menor (ou simplesmente uma fonte de luz), podemos concentrar a radiação gerada em uma carga que está a centenas de metros de distância da fonte de luz. Uma vez que essa luz focalizada atinge o painel solar do módulo receptor (ou carga), ela converte a energia da luz em energia elétrica, que é o objetivo original da configuração de transmissão de energia sem fio.

Até agora, discutimos técnicas ou métodos que são capazes de fornecer energia para cargas que estão a poucos metros de distância da fonte. Embora essas técnicas tenham capacidade de distância, elas são volumosas e caras, portanto, não são adequadas para o design de carregador de celular. Os métodos mais práticos que podem ser usados para o projeto de carregadores sem fio são, a saber, ' Tipo de acoplamento indutivo' e ' Indução ressonante magnética '. Estes são os dois métodos que utilizam a Lei de Indução Eletromagnética de Far- dia como princípio e o fluxo magnético como fenômeno de propagação para obter a transmissão de energia sem fio.

Transmissão de energia sem fio usando acoplamento indutivo

A configuração usada no acoplamento indutivo é muito semelhante à usada para o transformador elétrico. Para melhor compreensão, vamos dar uma olhada no circuito de aplicação típico do método de transferência de energia sem fio de acoplamento indutivo.

No diagrama funcional acima, temos duas seções, uma é uma configuração de transmissão de energia elétrica e a outra é a configuração do receptor de energia elétrica.
Ambas as seções são eletricamente isoladas uma da outra e são separadas por um isolador com alguns centímetros de largura. Embora ambas as seções não tenham nenhuma interação elétrica, ainda há um acoplamento magnético entre elas.
A fonte de tensão CA presente no módulo transmissor fornece energia para todo o sistema.

Funcionamento do tipo de acoplamento indutivo Transmissão sem fio: Desde o início, um fluxo de corrente na bobina do condutor está presente no módulo do Transmissor porque uma fonte de tensão CA está conectada aos terminais finais da bobina. E por causa desse fluxo de corrente, um campo magnético deve ser gerado em torno dos condutores da bobina, que está firmemente enrolada em torno de um núcleo de ferrite. Por causa da presença de um meio, todo o fluxo magnético da bobina fica concentrado no núcleo de ferrite. Este fluxo se move ao longo do eixo do núcleo de ferrite e é ejetado para o espaço livre fora do módulo de transmissão, conforme mostrado na figura.

Agora, se colocarmos o módulo receptor próximo ao transmissor, o fluxo magnético emitido pelo transmissor cortará a bobina presente no módulo receptor. Uma vez que o fluxo gerado pelo módulo transmissor é fluxo variável, então um EMF deve ser induzido no condutor colocado em sua faixa de acordo com a Lei de Indução Eletromagnética de Farday. Com base nessa teoria, um EMF também deve ser induzido na bobina receptora que está experimentando o fluxo magnético gerado pelo transmissor. Esta tensão gerada será retificada, filtrada e regulada para obter uma tensão CC adequada, que é muito necessária para o controlador do sistema.

Em alguns casos, o núcleo de ferrite também é eliminado para tornar o transmissor e o receptor mais compactos e leves. Você pode ver este aplicativo em Carregador de telefone celular sem fio e par de Smartphone. Como todos nós sabemos, as indústrias atualmente competem pescoço a pescoço para lançar smartphones de alto desempenho e outros dispositivos que são mais leves, finos e frios. Os designers estão literalmente tendo pesadelos para alcançar esses recursos sem comprometer o desempenho, portanto, tornar o dispositivo volumoso apenas por causa da transmissão de energia sem fio é inaceitável. Assim, os designers e a engenharia estão chegando com módulos mais finos e leves que podem ser instalados em smartphones e tablets.

Aqui você pode ver a construção interna do carregador sem fio mais recente.

O Smartphone com capacidade de alimentação sem fio também terá uma bobina semelhante para tornar possível a indução eletromagnética. Você pode ver na figura abaixo, como a bobina fina é fixada na extremidade inferior do Smartphone perto da bateria. Você pode ver como os engenheiros projetaram este carregador sem fio tão fino, sem comprometer seu desempenho. O funcionamento desta configuração é semelhante ao caso discutido acima, exceto que ele não tem nenhum núcleo de ferrite no centro do enrolamento.

Embora esta forma de transmitir energia por indução eletromagnética pareça fácil, não é comparável a um método eficiente de fornecer energia por meio de cabo.

Transferência de energia sem fio baseada em indução ressonante magnética

A indução ressonante magnética é uma forma de acoplamento indutivo em que a energia é transferida por campos magnéticos entre dois circuitos ressonantes (circuitos sintonizados), um no transmissor e outro no receptor. Por causa disso, a configuração do circuito de indução ressonante magnética deve ser muito semelhante ao circuito de acoplamento indutivo que discutimos anteriormente.

Você pode ver nesta figura exceto pela presença de capacitores em série que todo o circuito é semelhante ao caso anterior.

Funcionando: O funcionamento deste modelo também é muito semelhante ao do caso anterior, exceto aqui os circuitos presentes no transmissor e no receptor são ajustados para operar na frequência de ressonância. Os capacitores são especialmente conectados em série com ambas as bobinas para obter este efeito ressonante.

Como todos sabemos, um capacitor em série com um indutor formará um circuito LC em série, conforme mostrado na figura. E o valor da frequência em que este circuito irá operar em ressonância pode ser dado como, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Aqui L = valor do indutor e C = valor do capacitor.

Usando a mesma fórmula, calcularemos o valor da frequência ressonante para o circuito do transmissor de energia e ajustaremos a frequência da fonte de alimentação CA para esse valor calculado.

Assim que a frequência da fonte for ajustada, o circuito do transmissor, junto com o circuito do receptor, operará na frequência de ressonância. Depois disso, um EMF deve ser induzido no circuito receptor de acordo com a Lei de Indução de Far days, conforme discutimos no caso anterior. E este EMF induzido será retificado, filtrado e regulado para obter uma tensão DC adequada, conforme mostrado na figura.

Até agora, discutimos várias técnicas que podem ser usadas para transmissão de energia sem fio junto com seus circuitos de aplicação típicos. E usamos esses métodos para desenvolver circuitos para todos os sistemas de transmissão de energia sem fio, como carregador sem fio, sistema de carregamento de veículos elétricos sem fio, transferência de energia sem fio para drones, aviões, etc.

Padrões de transferência de energia sem fio

Agora, com cada empresa desenvolvendo suas próprias produções e estações de carregamento, há uma necessidade de padrões comuns entre todos os desenvolvedores para que o consumidor escolha o melhor entre o oceano de opções. Portanto, alguns padrões são seguidos por todas as indústrias que estão trabalhando no desenvolvimento de sistemas de transmissão de energia sem fio.

Vários padrões usados para desenvolver dispositivos de transferência de energia sem fio, como carregador sem fio:

Padrões 'Qi' - por Wireless Power Consortium:

Tecnologia - Indutiva, Ressonante - Baixa Frequência
Baixa potência - 5 W, média potência - 15 W, aparelhos de cozinha sem fio Qi de 100 W a 2,4 kW
Faixa de frequência - 110 - 205 kHz
Produtos - mais de 500 produtos e usados em mais de 60 empresas de telefonia celular

Padrões 'PMA' - por Power Matter Alliance:

Tecnologia - Indutiva, Ressonante - Alta Frequência
Power Out Max de 3,5 W a 50 W
Faixa de frequência - 277 - 357 kHz
Produtos - apenas 2, mas 1.00.000 unidades de esteiras de energia são distribuídas globalmente

Vantagens do carregador sem fio

O carregador sem fio é muito útil para carregar dispositivos domésticos como um smartphone, laptop, iPod, notebook, fone de ouvido, etc,
Ele fornece uma maneira conveniente, segura e eficaz de transferir energia sem qualquer meio.
Amigo do meio ambiente - Não prejudica nem fere um ser humano ou qualquer ser vivo.
Pode ser usado para carregar implantes médicos, o que resulta em uma melhora na qualidade de vida e reduz o risco de infecção.
Não há necessidade de se preocupar com o desgaste do conector de força.
A confusão com a orientação do cabo de alimentação acabou com o uso de carregadores sem fio.

Desvantagens do carregador sem fio

Menos eficiência e mais perda de energia.
Custa mais do que o carregador de cabo.
Reparar a falha é difícil.
Não é adequado para entrega de alta potência.
As perdas de energia aumentam com a carga.