Diferentes tipos de tecnologías de transferencia de energía inalámbrica y su funcionamiento.

Cada sistema o dispositivo electrónico necesita energía eléctrica para funcionar, ya sea de su suministro de CA de pared o de una batería. Esta energía eléctrica no se puede almacenar infinitamente en ningún dispositivo recargable como baterías, condensadores o supercondensadores. Por lo tanto, cualquier dispositivo portátil, como computadoras portátiles o teléfonos móviles, debe estar conectado a líneas de alimentación de CA para recargar sus baterías con regularidad.

Normalmente, se utilizan cables eléctricos para conectar estos dispositivos recargables como teléfonos inteligentes, tabletas, auriculares, altavoces Bluetooth, etc. a adaptadores AC-DC. El uso de cables conductores electrónicos para transferir energía o datos entre dos sistemas es la forma más básica y popular desde el descubrimiento de la electricidad en sí. Y la gente está contenta con el uso de cables eléctricos hasta ahora, pero con el avance de la tecnología, la seguridad humana y el hambre de la humanidad por la perfección en la belleza lleva a los conceptos de transferencia de energía inalámbrica (WPT) o transmisión de energía inalámbrica (WET) a una imagen que se perdió hace mucho tiempo. en Historia. En algunos de nuestros artículos anteriores, hemos explicado la transmisión de energía inalámbrica en detalle y también hemos construido un circuito para transferir la energía de forma inalámbrica para iluminar un LED.

La primera aplicación experimental considerable para la transferencia de energía inalámbrica (WPT) fue realizada a principios de la década de 1890 por el inventor Nikola Tesla. Durante los experimentos, la energía eléctrica se transmite por acoplamiento inductivo y capacitivo utilizando transformadores resonantes de radiofrecuencia excitados por chispas, ahora llamados bobinas de Tesla. Aunque estos experimentos tienen un éxito parcial, no son eficientes y requieren una gran inversión. Entonces, más tarde, estos experimentos se descartan y el estudio de la tecnología se estancó durante muchos años. También hemos construido una mini bobina Tesla para demostrar el concepto de bobinas Tesla.

Aunque incluso ahora no existe una forma efectiva de entregar alta potencia de forma inalámbrica, es posible diseñar un circuito con los avances tecnológicos actuales para transferir baja potencia entre dos sistemas de manera efectiva. Y los cargadores inalámbricos están diseñados en base a este circuito recientemente desarrollado que le permite entregar energía a teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos pequeños de forma inalámbrica.

Varias tecnologías de carga inalámbrica utilizadas en el cargador inalámbrico

Desde que el concepto de transferencia de energía inalámbrica se hizo popular, tanto los científicos como los ingenieros idearon varias formas de realizar este concepto. Aunque la mayoría de estos experimentos condujeron a fracasos o resultados poco prácticos, pocos de estos experimentos produjeron resultados satisfactorios. Estas formas probadas y funcionales para lograr la transferencia de energía inalámbrica tienen sus propias ventajas, desventajas y características. Entre estos diversos métodos, solo se utilizan un par para diseñar cargadores inalámbricos. Mientras que otros métodos tienen sus propias áreas de aplicación y ventajas.

Ahora, para una mejor comprensión, estos métodos se clasifican según la distancia de transmisión, la potencia máxima y el método utilizado para lograr la transmisión de potencia. En la siguiente figura podemos ver varias formas utilizadas para lograr la tecnología de transferencia de energía inalámbrica y su clasificación.

Aquí,

La primera y más importante clasificación se basa en qué tan lejos es posible la transferencia de energía. En los métodos experimentados, algunos son capaces de entregar energía de forma inalámbrica a cargas a gran distancia, mientras que otros solo pueden entregar energía a cargas a solo unos centímetros de la fuente. Entonces, la primera división se basa en si el método es de campo cercano o de campo lejano.
La diferencia en la capacidad de distancia se basa en el tipo de fenómeno utilizado por varios métodos para lograr la transferencia de energía inalámbrica. Por ejemplo, si el medio utilizado por el método para suministrar energía es la inducción electromagnética, la distancia máxima no puede ser superior a 5 cm. Esto se debe a que la pérdida de flujo magnético aumenta exponencialmente con un aumento en la distancia entre la fuente y la carga, lo que conduce a pérdidas de potencia inaceptables. Por otro lado, si el medio utilizado por el método para suministrar energía es Radiación electromagnéticaentonces la distancia máxima puede llegar hasta unos pocos metros. Esto se debe a que EMR se puede concentrar en un punto focal que se encuentra a metros de la fuente. Además, los métodos que utilizan EMR como medio para suministrar energía tienen una mayor eficiencia en comparación con otros.
De las muchas formas mencionadas anteriormente, algunas son más populares que otras y los métodos populares que se utilizan ampliamente se analizan a continuación.

Hay dos métodos populares para la transmisión de energía inalámbrica que utilizan radiación electromagnética como medio: potencia de microondas y potencia de láser / luz.

Transferencia de energía inalámbrica por microondas

Como el propio nombre lo revela en este método, utilizará el espectro de microondas de EMR para entregar energía para cargar. Primero, el transmisor tomará energía de una toma de corriente o cualquier otra fuente de energía estable y luego regulará esta energía de CA al nivel requerido. Después de eso, la energía transmitida generará microondas al consumir esta fuente de alimentación regulada. Las microondas viajan a través del aire sin ninguna interrupción para llegar al receptor o la carga. El Receptor estará equipado con los dispositivos adecuados para recibir esta radiación de microondas y convertirla en energía eléctrica. Esta energía eléctrica convertida es directamente proporcional a la cantidad de radiación de microondas que llega al receptor y, por lo tanto, se logra una transferencia de energía inalámbrica utilizando radiación de microondas.

Transferencia de energía inalámbrica con luz láser

Cualquier persona que se ocupe de la electrónica y la energía eléctrica debería haberse encontrado con un concepto llamado generación de energía solar. Y si recuerdas correctamente el concepto de generación de energía solar no es más que usar Radiación Electromagnética del sol para generar electricidad. Este proceso de conversión puede basarse en sistemas de paneles solares, calefacción solar o cualquier otro y se puede construir fácilmente un cargador de energía solar utilizando paneles solares. Pero la cuestión clave aquí es que la energía transferida por el sol a la tierra está en forma de radiación electromagnética y está específicamente en el espectro visible y la transferencia de energía aquí se realiza de forma inalámbrica. Por lo tanto, el concepto de generación de energía solar es en sí mismo un mega sistema inalámbrico de transmisión de energía.

Ahora, si reemplazamos el sol con un generador EMR más pequeño (o simplemente una fuente de luz), entonces podemos enfocar la radiación generada en una carga que está a cientos de metros de la fuente de luz. Una vez que esta luz enfocada llega al panel solar del módulo receptor (o carga), convierte la energía de la luz en energía eléctrica, que es el objetivo original de la configuración de transmisión de energía inalámbrica.

Hasta ahora, discutimos técnicas o métodos que son capaces de entregar energía a cargas que se encuentran a pocos metros de la fuente. Aunque estas técnicas tienen capacidad de distancia, son voluminosas y costosas, por lo que no son adecuadas para el diseño de cargadores móviles. Los métodos más prácticos que se pueden utilizar para el diseño de cargadores inalámbricos son, a saber, ' Tipo de acoplamiento inductivo' e ' Inducción de resonancia magnética '. Estos son los dos métodos que utilizan la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday como principio y el flujo magnético como fenómeno de propagación para lograr la transmisión de potencia inalámbrica.

Transmisión de potencia inalámbrica mediante acoplamiento inductivo

La configuración utilizada en el acoplamiento inductivo es muy similar a la utilizada para el transformador eléctrico. Para una mejor comprensión, analicemos el circuito de aplicación típico del método de transferencia de energía inalámbrica de acoplamiento inductivo.

En el diagrama funcional anterior, tenemos dos secciones, una es una configuración de transmisión de energía eléctrica y la otra es la configuración del receptor de energía eléctrica.
Ambas secciones están aisladas eléctricamente entre sí y están separadas por un aislante de un par de centímetros de ancho. Aunque ambas secciones no tienen ninguna interacción eléctrica, existe un acoplamiento magnético entre ellas.
La fuente de voltaje CA presente en el módulo transmisor proporciona energía a todo el sistema.

Funcionamiento de transmisión inalámbrica de tipo acoplamiento inductivo: Desde el principio, hay un flujo de corriente en la bobina conductora en el módulo transmisor porque una fuente de voltaje CA está conectada a los terminales finales de la bobina. Y debido a este flujo de corriente, se debe generar un campo magnético alrededor de los conductores de la bobina que está enrollada firmemente alrededor de un núcleo de ferrita. Debido a la presencia de un medio, todo el flujo magnético de la bobina se concentra en el núcleo de ferrita. Este flujo se mueve a lo largo del eje del núcleo de ferrita y se expulsa al espacio libre fuera del módulo de transmisión como se muestra en la figura.

Ahora, si acercamos el módulo receptor al transmisor, entonces el flujo magnético emitido por el transmisor cortará la bobina presente en el módulo receptor. Dado que el flujo generado por el módulo transmisor es un flujo variable, entonces se debe inducir un EMF en el conductor introducido en su rango de acuerdo con la Ley de Inducción Electromagnética de Faradays. Según esta teoría, también debe introducirse un EMF en la bobina receptora que experimenta el flujo magnético generado por el transmisor. Este voltaje generado será rectificado, filtrado y regulado para obtener un voltaje de CC adecuado que es muy necesario para el controlador del sistema.

En algunos casos, el núcleo de ferrita también se elimina para hacer que el transmisor y el receptor sean más compactos y livianos. Puede ver esta aplicación en Cargador de teléfono móvil inalámbrico y Emparejamiento de teléfono inteligente. Como todos sabemos, las industrias en la actualidad compiten mano a mano para lanzar teléfonos inteligentes de alto rendimiento y otros dispositivos que son más livianos, más delgados y más frescos. Los diseñadores literalmente están teniendo pesadillas para lograr estas características sin comprometer el rendimiento, por lo que hacer que el dispositivo sea voluminoso solo por el bien de la transmisión de energía inalámbrica es inaceptable. Entonces, los diseñadores y la ingeniería idearon módulos más delgados y ligeros que se pueden instalar en teléfonos inteligentes y tabletas.

Aquí puede ver la construcción interna del último cargador inalámbrico.

El teléfono inteligente con capacidad de alimentación inalámbrica también tendrá una bobina similar para hacer posible la inducción electromagnética. Puede ver en la figura de abajo, cómo la bobina delgada se conecta en el extremo inferior del teléfono inteligente cerca de la batería. Puede ver cómo los ingenieros diseñaron este cargador inalámbrico tan delgado sin comprometer su rendimiento. El funcionamiento de esta configuración es similar al caso discutido anteriormente, excepto que no tiene ningún núcleo de ferrita en el centro del devanado.

Aunque esta forma de transmitir energía a través de la inducción electromagnética parece fácil, no es comparable a un método eficiente de entregar energía a través del cable.

Transferencia de energía inalámbrica basada en inducción de resonancia magnética

La inducción de resonancia magnética es una forma de acoplamiento inductivo en el que la energía se transfiere mediante campos magnéticos entre dos circuitos resonantes (circuitos sintonizados), uno en el transmisor y otro en el receptor. Debido a esto, la configuración del circuito de inducción de resonancia magnética debe ser muy similar al circuito de acoplamiento inductivo que discutimos anteriormente.

Se puede ver en esta figura excepto por la presencia de condensadores en serie que todo el circuito es similar al caso anterior.

Funcionamiento: El funcionamiento de este modelo también es muy similar al caso anterior excepto que aquí los circuitos presentes en el transmisor y el receptor están sintonizados para operar en la frecuencia resonante. Los condensadores están especialmente conectados en serie con ambas bobinas para lograr este efecto resonante.

Como todos sabemos, un condensador en serie con un inductor formará un circuito LC en serie como se muestra en la figura. Y el valor de la frecuencia a la que este circuito operará en resonancia se puede dar como, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Aquí L = valor del inductor y C = valor del condensador.

Al usar la misma fórmula, calcularemos el valor de la frecuencia de resonancia para el circuito del transmisor de potencia y ajustaremos la frecuencia de la fuente de alimentación de CA a ese valor calculado.

Una vez que se ajusta la frecuencia de la fuente, el circuito transmisor junto con el circuito receptor funcionarán a la frecuencia resonante. Después de esto, se debe inducir un EMF en el circuito receptor de acuerdo con la Ley de Inducción de Faraday como discutimos en el caso anterior. Y este EMF inducido será rectificado, filtrado y regulado para obtener un voltaje de CC adecuado como se muestra en la figura.

Hasta ahora, discutimos varias técnicas que pueden usarse para la transmisión de energía inalámbrica junto con sus circuitos de aplicación típicos. Y usamos estos métodos para desarrollar circuitos para todos los sistemas de transmisión de energía inalámbricos, como el cargador inalámbrico, el sistema de carga de vehículos eléctricos inalámbricos, la transferencia de energía inalámbrica para drones, aviones, etc.

Estándares de transferencia de energía inalámbrica

Ahora que cada empresa desarrolla sus propias producciones y estaciones de carga, se necesitan estándares comunes entre todos los desarrolladores para que el consumidor elija lo mejor entre el océano de opciones. Por lo tanto, todas las industrias que están trabajando en el desarrollo de sistemas inalámbricos de transmisión de energía siguen un par de estándares.

Varios estándares utilizados para desarrollar dispositivos de transferencia de energía inalámbricos como el cargador inalámbrico:

Estándares 'Qi' - por Wireless Power Consortium:

Tecnología - Inductiva, Resonante - Baja frecuencia
Baja potencia: 5 W, potencia media: 15 W, electrodomésticos de cocina inalámbricos Qi de 100 W a 2,4 kW
Rango de frecuencia: 110-205 kHz
Productos: más de 500 productos y se utilizan en más de 60 empresas de telefonía móvil

Estándares 'PMA' - por Power Matter Alliance:

Tecnología - Inductiva, Resonante - Alta frecuencia
Potencia máxima de salida de 3,5 W a 50 W
Rango de frecuencia - 277 - 357 kHz
Productos: solo 2, pero 100.000 unidades de alfombrillas eléctricas se distribuyen a nivel mundial

Ventajas del cargador inalámbrico

El cargador inalámbrico es muy útil para cargar dispositivos domésticos como un teléfono inteligente, computadora portátil, iPod, computadora portátil, auriculares, etc.
Proporciona una forma conveniente, segura y eficaz de transferir energía sin ningún medio.
Respetuoso con el medio ambiente: no daña ni daña a un ser humano ni a ningún ser vivo.
Se puede utilizar para cargar implantes médicos, lo que mejora la calidad de vida y reduce el riesgo de infección.
No hay necesidad de preocuparse habitualmente por el desgaste del conector de alimentación.
La confusión sobre la orientación del cable de alimentación ha terminado con el uso de cargadores inalámbricos.

Desventajas del cargador inalámbrico

Menos eficiencia y más pérdida de potencia.
Cuesta más que el cargador por cable.
La reparación de la falla es difícil.
No apto para entrega de alta potencia.
Las pérdidas de energía aumentan con la carga.