Jak funguje bezdrátový přenos energie

Bezdrátový přenos energie je proces, při kterém se elektrická energie přenáší z jednoho systému do jiného systému elektromagnetickými vlnami bez použití vodičů nebo jakéhokoli fyzického kontaktu.

V tomto příspěvku diskutujeme o tom, jak funguje bezdrátový přenos energie nebo přenos elektřiny vzduchem bez použití drátů.

Možná jste již na tuto technologii narazili a možná jste prošli mnoha související teorie na internetu.

Přestože internet může být plný takových článků vysvětlujících koncept pomocí příkladů a videí, čtenář většinou nerozumí základnímu principu, kterým se tato technologie řídí, a jejím budoucím perspektivám.

Jak funguje bezdrátový přenos elektřiny

V tomto článku se zhruba pokusíme získat představu o tom, jak probíhá, funguje nebo funguje bezdrátový přenos elektřiny a proč je tento nápad tak obtížně realizovatelný na velké vzdálenosti.

Nejběžnějším a klasickým příkladem bezdrátového přenosu energie je naše stará rádiová a televizní technologie, která funguje tak, že pro zamýšlený přenos dat odesílá elektrické vlny (RF) z jednoho bodu do druhého bez kabelů.

Potíž

Nevýhodou této technologie je však to, že není schopna přenášet vlny vysokým proudem, takže přenášený výkon se stává smysluplným a použitelným na přijímací straně pro pohon potenciální elektrické zátěže.

Tento problém se stává obtížným, protože odpor vzduchu může být v rozmezí milionů mega Ohmů, a proto je extrémně obtížné jej proříznout.

Dalším problémem, který ještě více ztěžuje přenos na dlouhé vzdálenosti, je proveditelnost napájení se zaměřením na cíl.

Pokud je dovoleno, aby se vysílaný proud rozptýlil pod širokým úhlem, cílový přijímač nemusí být schopen přijímat odeslaný výkon a mohl by získat jen jeho zlomek, což činí operaci extrémně neefektivní.

Přenos elektřiny na krátké vzdálenosti bez vodičů však vypadá mnohem jednodušší a mnozí jej úspěšně implementovali, jednoduše proto, že na krátkou vzdálenost se výše uvedená omezení nikdy nestanou problémem.

Pro bezdrátový přenos energie na krátkou vzdálenost je zjištěný odpor vzduchu mnohem menší, v rozsahu několika 1000 meg ohmů (nebo dokonce menší v závislosti na úrovni blízkosti), a přenos se stává realizovatelným spíše efektivně se začleněním vysokého proudu a vysoká frekvence.

Získání optimálního dosahu

Aby se dosáhlo optimální účinnosti vzdálenosti k proudu, stává se frekvence přenosu nejdůležitějším parametrem operace.

Vyšší frekvence umožňují efektivnější pokrytí větších vzdáleností, a proto je to jeden prvek, který je třeba dodržovat při navrhování bezdrátového zařízení pro přenos energie.

Dalším parametrem, který usnadňuje přenos, je úroveň napětí, vyšší napětí umožňuje zapojení nižšího proudu a udržení kompaktnosti zařízení.

Nyní se pokusíme uchopit koncept jednoduchým nastavením obvodu:

Okruh nastaven

Seznam dílů

R1 = 10 ohmů
L1 = 9-0-9 otáček, to je 18 otáček se středovým kohoutkem pomocí super smaltovaného měděného drátu 30 SWG.
L2 = 18 otáček pomocí 30 SWG super smaltovaného měděného drátu.
T1 = 2N2222
D1 ---- D4 = 1N4007
C1 = 100uF / 25V
3V = 2 AAA 1,5V články v sérii

Obrázek nahoře ukazuje přímý bezdrátový přenosový obvod, který se skládá z vysílače na levé straně a přijímače na pravé straně konstrukce.

Oba stupně lze vidět oddělené s výraznou vzduchovou mezerou pro zamýšlený přesun elektřiny.

Jak to funguje

Stupeň vysílače výkonu vypadá jako obvod oscilátoru vytvořený obvodem zpětnovazební sítě přes tranzistor NPN a induktor.

Ano, má pravdu, vysílač je skutečně oscilátorový stupeň, který pracuje push-pull způsobem pro indukci pulzujícího vysokofrekvenčního proudu v přidružené cívce (L1).

Indukovaný vysokofrekvenční proud vyvíjí kolem cívky odpovídající množství elektromagnetických vln.

Při vysokém kmitočtu je toto elektromagnetické pole schopné roztrhat se vzduchovou mezerou kolem něj a dosáhnout na povolenou vzdálenost v závislosti na jmenovitém proudu.

Je možné vidět fázi přijímače, která se skládá pouze z doplňkového induktoru L2, který je docela podobný L1, který má jedinou úlohu přijímat přenášené elektromagnetické vlny a převádět je zpět na potenciální rozdíl nebo elektřinu, i když na nižší úrovni výkonu kvůli zapojenému přenosu ztráty vzduchem.

Elektromagnetické vlny generované z L1 jsou vyzařovány všude kolem a L2, která je někde v řadě, je těmito EM vlnami zasažena. Když k tomu dojde, elektrony uvnitř vodičů L2 jsou nuceny oscilovat stejnou rychlostí jako EM vlny, což nakonec vede také k indukované elektřině přes L2.

Elektřina je náležitě usměrněna a filtrována připojeným můstkovým usměrňovačem a C1 tvořícím ekvivalentní stejnosměrný výstup přes zobrazené výstupní svorky.

Ve skutečnosti, pokud pečlivě uvidíme pracovní princip bezdrátového přenosu energie, zjistíme, že to není nic nového, ale naše stará technologie transformátorů, kterou běžně používáme v našich napájecích zdrojích, jednotkách SMPS atd.

Jediným rozdílem byla absence jádra, které běžně nacházíme v našich běžných napájecích transformátorech. Jádro pomáhá maximalizovat (koncentrovat) proces přenosu energie a zavést minimální ztráty, což zase do značné míry zvyšuje účinnost

Výběr jádra induktoru

Jádro také umožňuje použití relativně nižších frekvencí pro proces, přesněji kolem 50 až 100 Hz pro transformátory se železným jádrem, zatímco v rámci 100kHz pro transformátory s feritovým jádrem.

V našem navrhovaném článku o fungování bezdrátového přenosu energie, protože tyto dvě sekce musí být zcela odděleny od sebe, je použití jádra vyloučeno a systém je nucen pracovat bez pohodlí pomocného jádra.

Bez jádra se stává nezbytným použít relativně vyšší frekvenci a také vyšší proud, aby byl přenos schopen iniciovat, což může být přímo závislé na vzdálenosti mezi vysílacím a přijímacím stupněm.

Shrnutí konceptu

Abychom to shrnuli, z výše uvedené diskuse můžeme předpokládat, že k implementaci optimálního přenosu energie vzduchem musíme do návrhu zahrnout následující parametry:

Správně přizpůsobený poměr cívky s ohledem na zamýšlenou indukci napětí.

Vysoká frekvence řádově od 200 kHz do 500 kHz nebo vyšší pro cívku vysílače.

A vysoký proud pro cívku vysílače, v závislosti na tom, do jaké vzdálenosti je třeba přenášet vyzařované elektromagnetické vlny.

Další informace o fungování bezdrátového přenosu naleznete v komentáři.