- Cómo funciona la transmisión de energía inalámbrica
- Estándares de carga inalámbrica
- Diseño de conjunto de cargador inalámbrico simple
- Diseño de transmisor
- Diseño de receptor
- Aplicaciones
La carga inalámbrica es el proceso de recarga de dispositivos electrónicos alimentados por batería sin atarlos directamente mediante alambres y cables a una fuente de alimentación. El proceso brinda a los usuarios la libertad de cargar su teléfono sobre la marcha sin necesidad de enchufarlo a una toma de corriente. Esto significa que los teléfonos inteligentes y otros dispositivos habilitados para carga inalámbrica se pueden cargar simplemente colocándolos en una mesa de café, por ejemplo, o incluso máquinas más complejas como autos eléctricos se pueden cargar simplemente estacionándolos en el garaje o en la carretera habilitada para carga inalámbrica. Elimina todos los problemas de seguridad asociados con la carga basada en cables y abre la puerta a un nuevo tipo de libertad para los usuarios.
La carga inalámbrica se remonta a finales del siglo XIX cuando Nikola Tesla desarrolló la bobina tesla que se suponía que ayudaba a transmitir energía de forma inalámbrica, mientras que el experimento no logró el objetivo en ese momento, despertó interés en el campo y mucha más gente comenzó a trabajar en la idea. En 2006, el MIT comenzó a probar el uso del acoplamiento resonante para transmitir una gran cantidad de energía y esto allanó el camino para algunas de las excelentes tecnologías de carga inalámbrica que existen en la actualidad. Puede consultar este experimento para construir una bobina Mini Tesla para transmitir energía de forma inalámbrica.
Cómo funciona la transmisión de energía inalámbrica
La carga inalámbrica a veces se denomina carga inductiva porque se basa en el principio de inducción electromagnética. Al igual que el sistema de comunicación inalámbrica, la carga inalámbrica se logra mediante la acción de un transmisor y receptor de energía inalámbrico. El transmisor de carga inalámbrico, generalmente denominado estación de carga, está conectado a una toma de corriente y transmite la energía que se suministra a través de la salida al receptor, que siempre está conectado al dispositivo que se va a cargar y se coloca cerca de la estación de carga inalámbrica.
A continuación se muestra un diagrama de bloques para describir los componentes de un sistema de carga inalámbrica y el proceso de carga:
Como se mencionó anteriormente, la carga inalámbrica se basa en el principio de inducción magnética utilizado en transformadores, generadores y motores de energía eléctrica, de modo que el paso de corriente eléctrica a través de una bobina provoca un campo magnético cambiante alrededor de esa bobina que induce una corriente en otra bobina acoplada. Este es el principio detrás de la transferencia de energía eléctrica entre la bobina primaria y secundaria en un transformador eléctrico aunque parezcan eléctricamente aisladas. En la carga inalámbrica cada uno de los componentes (el transmisor y el receptor) que componen el sistema posee una bobina. La bobina del transmisor se puede comparar con la bobina primaria, mientras que la bobina del receptor se puede comparar con la bobina secundaria de un transformador de potencia eléctrica. Cuando una estación de carga está conectada a una fuente de alimentación de CA,la energía suministrada es rectificada a CC por el sistema rectificador, después de lo cual el sistema de conmutación se hace cargo. El motivo de la conmutación es poder generar el flujo magnético cambiante necesario para inducir cargas en la bobina receptora.
La bobina del receptor recoge la energía entrante y la pasa al circuito del receptor que convierte la energía entrante en CC y luego aplica la energía recibida para cargar la batería.
Como se estableció anteriormente, la transferencia de energía ocurre cuando el flujo magnético, creado al establecer un campo magnético alterno en la bobina del transmisor, se convierte en una corriente eléctrica en la bobina del receptor. La cantidad de corriente eléctrica generada depende de la cantidad de flujo generado por el transmisor y la cantidad de ese flujo que la bobina del receptor pudo capturar. La cantidad de flujo que captura el receptor depende del "factor de acoplamiento" que está determinado por el tamaño, la distancia y la posición de la bobina del receptor en relación con la bobina del transmisor. Esto significa que un factor de acoplamiento más alto resultará en una mayor transferencia de energía. Para aumentar las posibilidades de un factor de acoplamiento más alto, ciertas estaciones de carga inalámbricas están diseñadas con múltiples bobinas transmisoras como se muestra en la imagen a continuación.
Estándares de carga inalámbrica
Los estándares de carga inalámbrica se refieren al conjunto de reglas que rigen el diseño y desarrollo de dispositivos inalámbricos. Actualmente existen dos estándares industriales diferentes para la carga inalámbrica que están siendo promocionados por diferentes organismos.
1. Estándar de Rezence
2. Estándar QI
El estándar Rezence se basa en la carga inductiva resonante, de modo que la carga se produce cuando las bobinas del transmisor y del receptor están en resonancia. Con este estándar, los dispositivos pueden lograr una mayor distancia entre el transmisor y el receptor para cargar. Este estándar está siendo promovido por Alliance for Wireless Power (A4WP).
El estándar QI, por otro lado, logra una transferencia de energía inalámbrica utilizando un acoplamiento estrecho entre las bobinas y, contra el estándar Rezence , el transmisor y la bobina receptora siempre están diseñados para operar a frecuencias ligeramente diferentes, ya que se cree que se entrega más potencia con esta configuración. El estándar QI está siendo promovido por el consorcio de energía inalámbrica que incluye miembros como Apple inc, Qualcomm, HTC, por mencionar algunos.
Puede seleccionar el estándar inalámbrico que mejor se adapte a su aplicación considerando las compensaciones entre el EMI, la eficiencia y la libertad de alineación entre los dos estándares. Sin embargo, ciertas estaciones de carga inalámbrica están diseñadas para admitir ambos estándares, estos brindan una alta interoperabilidad entre dispositivos.
Diseño de conjunto de cargador inalámbrico simple
Antes de construir un sistema de carga inalámbrica, se debe tener en cuenta lo siguiente.
1. Estándar: al equipar un dispositivo con capacidad de carga inalámbrica, lo primero que debe hacer es seleccionar el estándar de potencia inalámbrica que se adapte al dispositivo y sus casos de uso. Ciertos sistemas de carga se basan en múltiples estándares.
2. Selección de bobina: lo siguiente es seleccionar el tipo y la geometría de bobina correctos para adaptarse al caso de uso. Los proveedores proporcionan estas bobinas en calibres estándar, por lo que la selección de las adecuadas debe basarse en la recomendación de la hoja de datos del transmisor de carga inalámbrico IC que se utilizará.
3. Caja: Al diseñar sistemas inalámbricos, es importante que la caja de los dispositivos no sea de metal y sea de una superficie relativamente plana para lograr un factor de acoplamiento más alto entre el transmisor y el receptor. El metal evita eficazmente que la energía que se transmite llegue al receptor y la carcasa de plástico debe estar diseñada para ser ultradelgada.
Diseño de transmisor
El sistema de carga inalámbrica comprende tanto el transmisor como el receptor, como se indicó anteriormente. A continuación se muestra el esquema que muestra el diseño de un transmisor.
Hay tres componentes principales que componen el transmisor; la fuente de alimentación, la bobina del transmisor y el circuito de conmutación. La fuente de alimentación suele ser CC de una CA rectificada. Después de la rectificación, el circuito de conmutación se utiliza para generar la señal alterna utilizada en la creación del campo magnético cambiante para inducir la transferencia de corriente del transmisor al receptor a través de la bobina del transmisor.
Diseño de receptor
El diseño del receptor es similar al del transmisor, excepto que la acción se realiza en orden inverso. El receptor consta de una bobina receptora, una red de resonancia, un rectificador y un cargador IC que utiliza la salida del circuito rectificador para cargar la batería conectada. En la siguiente imagen se muestra un ejemplo del circuito receptor con las partes funcionales resaltadas. Este ejemplo se basa en el IC de carga LTC4120.
Aplicaciones
La carga inalámbrica se utiliza actualmente en muchas aplicaciones, entre las que se incluyen:
- Smartphones y wearables
- Notebooks y tabletas
- Herramientas eléctricas y robots de servicio, como aspiradoras
- Multicópteros y juguetes eléctricos
- Dispositivos médicos
- Carga en el coche
Además de las elegantes razones por las que debería usar la carga inalámbrica, como no es necesario enchufar un dispositivo y no hay problemas de compatibilidad con el enchufe, la carga inalámbrica brinda seguridad contra los peligros relacionados con la conexión directa a la red. Además, es confiable en entornos más duros, como la perforación y la minería, y permite una carga sin problemas sobre la marcha. Por último, la carga inalámbrica elimina los enredos y otros problemas creados por los cables. Acabamos de rascar la cara de la carga inalámbrica con varias aplicaciones novedosas, cada diseño de producto que se haga con el futuro en mente debe buscar incorporar la carga inalámbrica, ya que es sin duda una de las formas en que cargaremos los dispositivos que funcionan con baterías en el futuro más cercano.