Verschiedene Arten von drahtlosen Energieübertragungstechnologien und ihre Funktionsweise

Jedes elektronische System oder Gerät benötigt zum Betrieb elektrischen Strom, egal ob es sich um eine ummauerte Wechselstromversorgung oder eine Batterie handelt. Diese elektrische Energie kann nicht unendlich in wiederaufladbaren Geräten wie Batterien, Kondensatoren oder Superkondensatoren gespeichert werden. Daher müssen tragbare Geräte wie Laptops oder Mobiltelefone an Wechselstromleitungen angeschlossen werden, um die Batterien regelmäßig aufzuladen.

In der Regel werden elektrische Kabel verwendet, um diese wiederaufladbaren Geräte wie Smartphones, Tablets, Kopfhörer, Bluetooth-Lautsprecher usw. an AC-DC-Adapter anzuschließen. Die Verwendung elektronischer Leiterkabel zur Übertragung von Strom oder Daten zwischen zwei Systemen ist der grundlegendste und beliebteste Weg seit der Entdeckung der Elektrizität. Und die Menschen sind glücklich mit elektrischen Kabeln bis jetzt aber mit der Weiterentwicklung der Technologie, die Sicherheit der Menschen und die Menschheit Hunger nach Perfektion in Schönheit führt zu den Konzepten der Wireless - Kraftübertragung (WPT) oder drahtlose Energieübertragung (WET) in Bild, das lange verloren in der Geschichte. In einigen unserer vorherigen Artikel haben wir die drahtlose Energieübertragung ausführlich erläutert und eine Schaltung zum drahtlosen Übertragen der Energie zum Leuchten einer LED aufgebaut.

Die erste bedeutende experimentelle Anwendung für die drahtlose Energieübertragung (WPT) wurde Anfang der 1890er Jahre vom Erfinder Nikola Tesla durchgeführt. Während der Experimente wird elektrische Energie durch induktive und kapazitive Kopplung unter Verwendung von funkenerregten Hochfrequenzresonanztransformatoren übertragen, die jetzt als Tesla-Spulen bezeichnet werden. Obwohl diese Experimente teilweise erfolgreich sind, sind sie nicht effizient und erfordern hohe Investitionen. Also, später werden diese Experimente verschrottet und die Technologiestudie stagnierte für viele Jahre Schicht. Wir haben auch eine Mini-Tesla-Spule gebaut, um das Konzept der Tesla-Spulen zu demonstrieren.

Obwohl es auch jetzt noch keine effektive Möglichkeit gibt, drahtlos hohe Leistung bereitzustellen, ist es möglich, eine Schaltung mit den gegenwärtigen technologischen Fortschritten zu entwerfen, um niedrige Leistung effektiv zwischen zwei Systemen zu übertragen. Die drahtlosen Ladegeräte basieren auf dieser neu entwickelten Schaltung, mit der Smartphones und andere kleine elektronische Geräte drahtlos mit Strom versorgt werden können.

Verschiedene drahtlose Ladetechnologien, die im drahtlosen Ladegerät verwendet werden

Seit das Konzept der drahtlosen Energieübertragung populär wurde, haben sowohl Wissenschaftler als auch Ingenieure verschiedene Wege gefunden, um dieses Konzept zu verwirklichen. Obwohl die meisten dieser Experimente zu Fehlern oder unpraktischen Ergebnissen führten, führten nur wenige dieser Experimente zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Diese getesteten und funktionierenden Methoden zur Erzielung einer drahtlosen Energieübertragung haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und Merkmale. Unter diesen verschiedenen Methoden werden nur wenige zum Entwerfen von drahtlosen Ladegeräten verwendet. Während andere Methoden ihren eigenen Anwendungsbereich und ihre eigenen Vorteile haben.

Zum besseren Verständnis werden diese Methoden nun basierend auf der Übertragungsentfernung, der maximalen Leistung und der Methode zur Erzielung der Leistungsübertragung klassifiziert. In der folgenden Abbildung sehen wir verschiedene Möglichkeiten zur Erzielung einer drahtlosen Energieübertragungstechnologie und deren Klassifizierung.

Hier,

Die erste und wichtigste Klassifizierung basiert darauf, wie weit die Kraftübertragung möglich ist. Bei den experimentellen Methoden sind einige in der Lage, Lasten in großer Entfernung drahtlos mit Strom zu versorgen, während andere Lasten nur wenige Zentimeter von der Quelle entfernt mit Strom versorgen können. Die erste Unterteilung basiert also darauf, ob die Methode Nahfeld oder Fernfeld ist.
Der Unterschied in der Entfernungsfähigkeit beruht auf der Art des Phänomens, das von verschiedenen Verfahren verwendet wird, um eine drahtlose Energieübertragung zu erreichen. Wenn beispielsweise das Medium, das von der Methode zur Leistungsabgabe verwendet wird, elektromagnetische Induktion ist, darf der maximale Abstand nicht höher als 5 cm sein. Dies liegt daran, dass der Verlust des Magnetflusses mit zunehmendem Abstand zwischen Quelle und Last exponentiell zunimmt, was zu inakzeptablen Leistungsverlusten führt. Wenn andererseits das Medium, das von der Methode zur Leistungsabgabe verwendet wird, elektromagnetische Strahlung istdann kann die maximale Entfernung einige Meter hoch sein. Dies liegt daran, dass die EMR auf einen Brennpunkt konzentriert werden kann, der Meter von der Quelle entfernt ist. Auch Methoden, die EMR als Medium zur Leistungsabgabe verwenden, weisen im Vergleich zu anderen eine höhere Effizienz auf.
Auf die vielen oben genannten Arten sind einige populärer als andere, und die weit verbreiteten Methoden werden unten diskutiert.

Es gibt zwei beliebte Methoden für die drahtlose Energieübertragung, bei denen elektromagnetische Strahlung als mittlere Mikrowellenleistung und Laser- / Lichtleistung verwendet wird

Drahtlose Mikrowellen-Energieübertragung

Wie der Name selbst bei dieser Methode verrät, wird das Mikrowellenspektrum der EMR verwendet, um die Last mit Strom zu versorgen. Zuerst zieht der Sender Strom aus einer Steckdose oder einer anderen stabilen Stromquelle und reguliert diesen Wechselstrom dann auf das erforderliche Niveau. Danach erzeugt die übertragene Energie Mikrowellen, indem sie diese geregelte Stromversorgung verbraucht. Die Mikrowellen bewegen sich ohne Unterbrechung durch die Luft, um den Empfänger oder die Last zu erreichen. Der Empfänger wird mit geeigneten Geräten ausgestattet, um diese Mikrowellenstrahlung zu empfangen und in elektrische Energie umzuwandeln. Diese umgewandelte elektrische Leistung ist direkt proportional zur Menge der zum Empfänger erreichten Mikrowellenstrahlung, und daher wird eine drahtlose Energieübertragung unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung erreicht.

Laserlicht drahtlose Energieübertragung

Jede Person, die sich mit Elektronik und elektrischer Energie befasst, sollte auf ein Konzept gestoßen sein, das als Solarenergieerzeugung bezeichnet wird. Und wenn Sie sich richtig erinnern, ist das Konzept der Solarenergieerzeugung nichts anderes als die Verwendung der elektromagnetischen Sonnenstrahlung zur Stromerzeugung. Dieser Umwandlungsprozess kann auf Systemen von Sonnenkollektoren, Solarheizungen oder anderen Systemen basieren, und ein Solarladegerät kann einfach unter Verwendung von Sonnenkollektoren gebaut werden. Das Hauptproblem hierbei ist jedoch, dass die von der Sonne auf die Erde übertragene Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung vorliegt und sich speziell im sichtbaren Spektrum befindet und die Energieübertragung hier drahtlos erfolgt. Daher ist das Konzept der Solarenergieerzeugung selbst ein Mega-Funkübertragungssystem.

Wenn wir nun die Sonne durch einen kleineren EMR-Generator (oder einfach eine Lichtquelle) ersetzen, können wir die erzeugte Strahlung auf eine Last fokussieren, die Hunderte von Metern von der Lichtquelle entfernt ist. Sobald dieses fokussierte Licht das Solarpanel des Empfängermoduls (oder der Last) erreicht, wandelt es die Lichtenergie in elektrischen Strom um, was das ursprüngliche Ziel der Einrichtung der drahtlosen Energieübertragung ist.

Bisher haben wir Techniken oder Methoden besprochen, mit denen Last, die nur wenige Meter von der Quelle entfernt ist, mit Strom versorgt werden kann. Obwohl diese Techniken über Entfernungsfähigkeiten verfügen, sind sie sperrig und kostenintensiv, sodass sie nicht für das Design mobiler Ladegeräte geeignet sind. Die praktischsten Methoden, die für die Entwicklung von drahtlosen Ladegeräten verwendet werden können, sind " Typ der induktiven Kopplung" und " Magnetresonanzinduktion ". Dies sind die beiden Methoden, die das Faradays-Gesetz der elektromagnetischen Induktion als Prinzip und den Magnetfluss als Ausbreitungsphänomen verwenden, um eine drahtlose Energieübertragung zu erreichen.

Drahtlose Energieübertragung mit induktiver Kopplung

Der bei der induktiven Kopplung verwendete Aufbau ist dem für den elektrischen Transformator sehr ähnlich. Lassen Sie uns zum besseren Verständnis die typische Anwendungsschaltung der drahtlosen Energieübertragungsmethode mit induktiver Kopplung untersuchen.

Im obigen Funktionsdiagramm haben wir zwei Abschnitte, von denen einer ein Aufbau für die Übertragung elektrischer Energie und der andere der Aufbau des Empfängers elektrischer Energie ist.
Beide Abschnitte sind elektrisch voneinander isoliert und durch einen Isolator von einigen Zentimetern Breite getrennt. Obwohl beide Abschnitte keine elektrische Wechselwirkung aufweisen, besteht zwischen ihnen eine magnetische Kopplung.
Die im Sendermodul vorhandene Wechselspannungsquelle versorgt das gesamte System mit Strom.

Funktionsweise der drahtlosen Übertragung vom Typ der induktiven Kopplung: Von Anfang an ist im Sendermodul ein Stromfluss in der Leiterspule vorhanden, da eine Wechselspannungsquelle an die Endanschlüsse der Spule angeschlossen ist. Und aufgrund dieses Stromflusses sollte ein Magnetfeld um die Leiter der Spule erzeugt werden, das eng um einen Ferritkern gewickelt ist. Aufgrund des Vorhandenseins eines Mediums konzentriert sich der gesamte Magnetfluss der Spule auf den Ferritkern. Dieser Fluss bewegt sich entlang der Achse des Ferritkerns und wird wie in der Abbildung gezeigt in den freien Raum außerhalb des Übertragungsmoduls ausgestoßen.

Wenn wir nun das Empfängermodul in die Nähe des Senders bringen, schneidet der vom Sender emittierte Magnetfluss die im Empfängermodul vorhandene Spule. Da der vom Sendemodul erzeugte Fluss den Fluss variiert, muss eine EMF in den Leiter induziert werden, der gemäß dem Faradays-Gesetz der elektromagnetischen Induktion in seinen Bereich gebracht wird. Basierend auf dieser Theorie muss auch eine EMF in die Empfängerspule induziert werden, die den vom Sender erzeugten Magnetfluss erfährt. Diese erzeugte Spannung wird gleichgerichtet, gefiltert und geregelt, um eine ordnungsgemäße Gleichspannung zu erhalten, die für die Systemsteuerung dringend benötigt wird.

In einigen Fällen entfällt auch der Ferritkern, um Sender und Empfänger kompakter und leichter zu machen. Sie können diese Anwendung im kabellosen Ladegerät für Mobiltelefone und im Smartphone-Paar sehen. Wie wir alle wissen, konkurrieren die Branchen derzeit Kopf an Kopf, um Hochleistungs-Smartphones und andere Geräte herauszubringen, die leichter, schlanker und kühler sind. Die Designer haben buchstäblich Albträume, um diese Funktionen zu erreichen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Daher ist es nicht akzeptabel, das Gerät nur für die drahtlose Energieübertragung sperrig zu machen. Daher haben die Designer und Ingenieure schlankere und leichtere Module entwickelt, die in Smartphones und Tablets eingebaut werden können.

Hier sehen Sie den internen Aufbau des neuesten kabellosen Ladegeräts.

Das Smartphone mit drahtloser Stromversorgung verfügt auch über eine ähnliche Spule, um die elektromagnetische Induktion zu ermöglichen. In der folgenden Abbildung sehen Sie, wie die schlanke Spule am unteren Ende des Smartphones in der Nähe des Akkus angebracht ist. Sie können sehen, wie Ingenieure dieses kabellose Ladegerät so schlank gestaltet haben, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Die Funktionsweise dieses Aufbaus ähnelt dem oben diskutierten Fall, außer dass er keinen Ferritkern in der Mitte der Wicklung aufweist.

Diese Art der Energieübertragung durch elektromagnetische Induktion scheint zwar einfach zu sein, ist jedoch nicht mit einer effizienten Methode zur Energieversorgung über das Kabel vergleichbar.

Drahtlose Energieübertragung auf Basis der Magnetresonanzinduktion

Die Magnetresonanzinduktion ist eine Form der induktiven Kopplung, bei der die Leistung durch Magnetfelder zwischen zwei Resonanzkreisen (abgestimmten Schaltkreisen) übertragen wird, einem im Sender und einem im Empfänger. Aus diesem Grund muss der Aufbau der Magnetresonanz-Induktionsschaltung der zuvor diskutierten induktiven Kopplungsschaltung sehr ähnlich sein.

Sie können in dieser Abbildung sehen, dass bis auf das Vorhandensein von Reihenkondensatoren die gesamte Schaltung dem vorherigen Fall ähnlich ist.

Arbeitsweise: Die Arbeitsweise dieses Modells ist auch dem vorherigen Fall sehr ähnlich, außer dass hier die in Sender und Empfänger vorhandenen Schaltkreise so abgestimmt sind, dass sie mit der Resonanzfrequenz arbeiten. Die Kondensatoren sind speziell mit beiden Spulen in Reihe geschaltet, um diesen Resonanzeffekt zu erzielen.

Wie wir alle wissen, bildet ein Kondensator in Reihe mit einem Induktor eine Reihen-LC-Schaltung, wie in der Abbildung gezeigt. Und der Wert der Frequenz, bei der diese Schaltung bei Resonanz arbeitet, kann wie folgt angegeben werden:

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Hier ist L = Induktorwert und C = Kondensatorwert.

Unter Verwendung derselben Formel berechnen wir den Wert der Resonanzfrequenz für die Leistungssenderschaltung und passen die Frequenz der Wechselstromquelle auf diesen berechneten Wert an.

Sobald die Quellfrequenz eingestellt ist, arbeitet die Senderschaltung zusammen mit der Empfängerschaltung mit der Resonanzfrequenz. Danach muss eine EMF in der Empfängerschaltung gemäß dem Faradays-Induktionsgesetz induziert werden, wie wir im vorherigen Fall besprochen haben. Und diese induzierte EMF wird gleichgerichtet, gefiltert und geregelt, um eine ordnungsgemäße Gleichspannung zu erhalten, wie in der Abbildung gezeigt.

Bisher haben wir verschiedene Techniken diskutiert, die für die drahtlose Energieübertragung zusammen mit ihren typischen Anwendungsschaltungen verwendet werden können. Und wir verwenden diese Methoden, um Schaltkreise für alle drahtlosen Energieübertragungssysteme wie drahtloses Ladegerät, drahtloses Ladesystem für Elektrofahrzeuge, drahtlose Energieübertragung für Drohnen, Flugzeuge usw. zu entwickeln.

Standards für die drahtlose Energieübertragung

Jetzt, da jedes Unternehmen seine eigenen Produktionen und Ladestationen entwickelt, müssen alle Entwickler gemeinsame Standards einhalten, damit der Verbraucher das Beste aus den zahlreichen Auswahlmöglichkeiten auswählen kann. Daher folgen alle Branchen, die an der Entwicklung drahtloser Energieübertragungssysteme arbeiten, einigen Standards.

Verschiedene Standards für die Entwicklung von drahtlosen Stromübertragungsgeräten wie drahtlosen Ladegeräten:

Qi-Standards - vom Wireless Power Consortium:

Technologie - Induktiv, Resonanz - Niederfrequenz
Niedrige Leistung - 5 W, mittlere Leistung - 15 W, Qi Schnurlose Küchengeräte von 100 W bis 2,4 kW
Frequenzbereich - 110 - 205 kHz
Produkte - Über 500 Produkte, die in mehr als 60 Mobilfunkunternehmen verwendet werden

PMA-Standards - von der Power Matter Alliance:

Technologie - Induktiv, Resonanz - Hochfrequenz
Power Out Max von 3,5 W bis 50 W.
Frequenzbereich - 277 - 357 kHz
Produkte - weltweit werden nur 2, aber 1.00.000 Leistungsmatteneinheiten vertrieben

Vorteile des drahtlosen Ladegeräts

Das kabellose Ladegerät ist sehr nützlich zum Laden von Heimgeräten wie Smartphones, Laptops, iPods, Notebooks, Kopfhörern usw.
Es bietet eine bequeme, sichere und effektive Möglichkeit, Energie ohne Medium zu übertragen.
Umweltfreundlich - Schädigt oder verletzt keinen Menschen oder ein Lebewesen.
Es kann zum Laden von medizinischen Implantaten verwendet werden, was zu einer Verbesserung der Lebensqualität führt und das Infektionsrisiko verringert.
Sie müssen sich nicht um den Verschleiß der Steckdose kümmern.
Das Fummeln über die Ausrichtung des Netzkabels ist mit der Verwendung von drahtlosen Ladegeräten beendet.

Nachteile des drahtlosen Ladegeräts

Weniger Effizienz und mehr Leistungsverlust.
Kostet mehr als das Kabelladegerät.
Die Reparatur des Fehlers ist schwierig.
Nicht für hohe Leistung geeignet.
Energieverluste nehmen mit der Last zu.