Cercetări Privind Transferul Wireless al Energiei Electromagnetice Prin Propagarea Undelor de Radiofrecventă

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

Cercetări privind transferul wireless al energiei electromagnetice prin propagarea undelor de radiofrecvență

Lucrare Doctorat

Part I

Coordonator proiect:

Prof. dr.ing. Mihai IORDACHE

Doctorand:

Alina OROȘANU

Cuprins

CAPITOLUL I. Introducere în Transmisia Wireless 3

1.1 Prezentare generala si definirea Witricity 3

2.1 Principii si cercetari in Inginerie 5

3.1 Ilustrarea și modelarea unui sistem MR WPT folosind un rezonator intermediar 6

4.1 Transferul de putere prin inductie electromagnetica(TPI) 8

CAPITOLUL III. Propagarea undelor de Radiofrecventa 10

5.1 Identificarea pasiva prin Radiofrecventa(RF) 10

6.1 Conversia RF-DC 10

CAPITOLUL IV. Modelul circuitului 11

7.1 Cuplajul inductiv rezonant 11

8.1 Analiza teoretica a circuitului 12

9.1 Proiectarea optima a bobinei 13

10.1 Circuit complet 14

11.1 Sumar al functionarii Diagramei Bloc 15

Concluzii 16

Bibliografie: 17

CAPITOLUL I. Introducere în Transmisia Wireless

Prezentare generala si definirea Witricity

WiTricity (sau WIRELES ELECTRICITY) reprezintă o tehnologie experimentală utilizată pentru a transfera energie electrică / energie între surse electrice și receptoare fără a utiliza fire. Transferul se face pe distanțe la care câmpul electromagnetic este suficient de puternic pentru a permite un transfer de putere rezonabilă. Acest lucru este posibil dacă atat emițătorul cat și receptorul ating rezonanța magnetică. Transmisia fără fir este utilă în cazurile în care este nevoie de energie instantanee sau continua.

Nikola Tesla a propus la începutul secolului XX, folosirea unor bobine colosale pentru transmiterea eletricitatii prin troposfera pentru a putea alimenta casele. Acest binecunoscut om de știință, numit si geniu, a pus in practica tot ce era necesar in vederea construireii Turnului Wardenclyffe, care se afla in Long Island, New York. Este vorba despre binecunoscutul turn de telecomunicații, care la randul lui avea să testeze și ideea de transfer a energiei electrice, fără a lua in calcul utilizarea cablului.

Figura(1). Bobina Tesla [1]

In concluzie, ideea de a transfer a energiei electrică prin aer nu este nouă [1]. Nicola Tesla a făcut primele încercări într-un moment în care rețeaua de energie electrică a avut o acoperire slabă, iar ambițiile sale au fost mari – dorind sa aduca in intreaga lume energie electrică transferate fără fir. Cercetarea a fost blocata după patru ani, când finanțatorul proiectului, J. P. Morgan, a refuzat să ofere un ajutor financiar mai din cauza lipsei de rezultate practice. In zilele noastre, tehnologia de rezonanță magnetică cuplată este utilizată.

Deși nu vom asista prea curând la construirea unei centrale electrice wireless, ideea electricității transmisa prin fascicole la o scară mai mică începe să câștige teren, iar acest lucru se întâmplă deoarece, odată cu tehnologiile wireless, precum Wi-Fi și Bluetooth, și cu circuitele tot mai reduse ca dimensiuni, cablurile de alimentare rămân singurele care pun cu adevarat o limită ideii de mobilitate și portabilitate. Transferul de energie fără fir este diferit de transmisia fără fir de informații, cum ar fi radio, în cazul în care semnalul zgomot al radioului (SNR) sau procentajul puterii primite devine critică numai în cazul în care este prea mic pentru a recupera cu succes semnalul. În eficiența transferului de energie fără fir este cel mai important parametru.

Figura(2). Transmiterea wireless a energiei pe o distanță scurta [1].

Termenul WiTricity a fost introdus de profesorul Marin Soljacic de la MIT, care, împreună cu echipa sa, a început să lucreze la acest subiect, în 2005. Primele lor lucrări pe această temă, "Coupled-mode theory for general free-space resonant scattering of waves" [ 2] și "Coupled-mode theory for general free-space resonant scattering of waves" [3] au fost publicate în 2007. O demonstrație experimentală este prezentată, în care un bec de 60 W a fost alimentat fără fir, pe o distanță de 2 m, cu un randament de 45%, bobinele rezonand împreună la 9,9 MHz.

CAPITOLUL II. Wireless Power Transfer(WPT)

Principii si cercetari in Inginerie

Wireless Power Transfer (sau WPT), a fost studiat pentru mai bine de o sută de ani inca de când Nikola Tesla a propus acest concept. O data cu trecerea anilor, din ce in ce mai multe dispozitive electronice portabile și produse electronice de consum sunt dezvoltate și utilizate, urmand ca necesitatea implementarii tehnologiei WPT să crească.

Nu de curand a aparut si conceptul de transfer wireless prin intermediul rezonantelor cuplate magnetic. Principiul de bază al WPT bazat pe rezonanțe cuplate magnetic (acronim MR-WPT), este faptul că cele două autorezonatoare, care au aceeași frecvență de rezonanță, pot transfera energia în mod eficient pe distante relative mari. De asemenea, s-a raportat că MR-WPT are mai multe avantaje, unul important de mentionat fiind transferul eficient de putere, neradiativ și aproape omnidirecțional. Este tot mai clar că aceste proprietăți vor contribui la îmbunătățirea performanțelor sistemelor de transfer de putere prin tehnologia wireless și vor fi foarte bine utilizate pentru diverse aplicații de transfer de energie wireless, cum ar fi vehiculele electrice, electronice de consum, dispozitive mobile inteligente, implanturi biomedicale, roboți, ș.a.

O alta metoda de transmitere a puterii electrie la consummator este transferul de putere wireless prin inducție electromagnetica, este o tehnologie în curs de dezvoltare si totodata rezultatul semnificativ al progresului din domeniul electronicii de putere. Telefoanele mobile pot acum să fie incarcate fără fir prin plasarea lor pe o suprafață de încărcare iar vehiculele electrice isi pot încărca bateriile în timp ce stau parcate într-o zona special amenajata de încărcare. Aria de aplicabilitate a acestei tehnologii este vasta, iar potențialul pe care il detine este imens. Acest tip de transfer de putere nu urmareste inlocuirea totala a cablului ci este destinat să coexiste și să opereze împreună cu acesta. Cu toate că un progres semnificativ este atins, multe obstacole și provocări de proiectare trebuie încă să fie luate in calcul si abordate.

În Figura(3) de mai jos, veti gasi ilustrat un model de aplicatie practica prin încărcarea wireless a mai multor dispozitive electronice portabile care utilizează tehnologia MR-WPT. Mai multe dispozitive sunt plasate pe un prim rezonator(Rx), care se poate observa ca face parte din constructia biroului(masa), iar cel de-al doilea rezonator(Tx) se afla in spatele placii sprijinite de masa. Rezonatorul Tx este puternic cuplat cu Rx, ceea ce duce la un transfer de energie eficient a ambelor rezonatoare, chiar dacă Tx este perpendicular din punct de vedere geometric pe Rx. Pentru a putea crea acest sistem, este necesar să se caracterizeze eficiența transferului de putere și a inductivității mutuale a sistemului MR WPT cu două rezonatoare dispuse perpendicular.

Figura(3). Exemplu de aplicatie practica folosind transferul de putere prin tehnologia MR-WPT

Ilustrarea și modelarea unui sistem MR WPT folosind un rezonator intermediar

In figura de mai jos, Figura(4), se regaseste configurația unui sistem MR-WPT in care sunt prezente mai multe rezonatoare. Acesta este alcatuit din trei rezonatoare (Tx, Rx și cel intermediar), o bobină ce reprezinta sursa și o bobină de sarcină.

Centrele celor 3: Tx, Rx si al rezonatoarului intermediar sunt (0, 0, -D1m), (0, 0, D2m) și respectiv (-Dh, 0, 0). La capetele fiecarei bobine din figura prezentata, se afla cate un condensator încărcate de la sursa de tensiune cu sarcina Q, în scopul ajustarii frecvenței de rezonanță și pentru prevenirea schimbarii acesteia in cazul aparitiei unor obiecte perturbatoare. Trebuie remarcat faptul că bobina rezonanta intermediară este poziționată perpendicular pe Tx și Rx.

Figura(4). Configurarea unui sistem MR-WPT cu ajutorul unui auto-rezonator intermediar

Pentru calculul transferului de putere si analiza sistemelor de vibrație (mecanice, optice, electrice, etc.), în spațiu sau în timp, s-a folosit CMT(Couple Mode Theory), aceasta teorie permitand unei game largi de dispositive si sisteme sa fie modelate ca una sau mai multe rezonatoare cuplate.

Energia electrică a fost întotdeauna transferată prin utilizarea electronilor liberi din materialele conductoare. Curentul electric se poate deplasa printr-un conductor, dacă o diferență de potențial electric este aplicata pe conductor, în consecință, puterea electrică poate fi transferata de la sursă. De exemplu, conectarea unui fir de la borna pozitivă a unei baterii la sarcina si o alta de la sarcina înapoi la borna negativă a bateriei se va forma un circuit închis. Acest lucru va determina electroni liberi în fire și sarcina să circule datorită potențialului de tensiune a bateriei. Din moment ce bateria forțează fluxul de electroni prin sarcină, energia este transferată de la baterie și consumata în sarcină. Utilizarea de cabluri și fire este alegerea preferată pentru a conecta o sursă la o sarcină. Reprezinta o metodă simplă și eficientă pentru transferul de energie electrică și este potrivita pentru cele mai multe aplicații de astăzi. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia avansează, dispozitivele sunt din ce în ce mai mici și portabile si sa ne bazam pe un cablu conectat la o priză de alimentare pentru a obține energie, nu mai pare a fi o soluție practică . Noile aplicații sunt dezvoltate și introduse cum ca ar fi mobile și necesită o sursă de alimentare continuă.

De exemplu, cercetarea și dezvoltarea a vehiculelor hibride și electrice este în creștere ca urmare a creșterii prețurilor la petrol și a preocupărilor legate de mediu. Aceste vehicule au o baterie la bord, ce poate furniza energie parțial sau în întregime pe toată durata calatoriei. Cu toate ca o conexiune directă prin cablu la o priză de curent este potrivita pentru un anumit grad, in vederea furnizarii de putere și a reîncărcarii bateriilor, mai multe opțiuni vor fi disponibile în cazul în care puterea a fost furnizată fără fir, fără cabluri și contacte. In consecinta, un vehiculul ar putea fi alimentat "în mișcare". Riscul de șoc electric și scântei este foarte redus, deoarece nu sunt utilizate contacte iar cerințele de întreținere sunt de asemenea reduse, deoarece nu există nici o uzură implicata în procesul de încărcare și de alimentare electrică.

În transferul wireless al energiei electrice, în loc de a folosi cabluri și fire conductoare, energia electrică este convertită într-o altă formă ce poate fi transferata intr-un mediu, fără a fi nevoie de cabluri conductoare. Un exemplu simplu de transfer al energiei fără fir este utilizarea undelor radio pentru a transfera diverse informații cum ar fi transferul de date, de sunet sau video. Un semnal de tensiune care reprezintă informația ce urmează a fi transferata este generată la un post de radio. Aceasta informatie este apoi transformata într-un semnal de energie electromagnetică extinzandu-se în toate direcțiile. Semnalul de energie electromagnetică este preluat de către o antenă la un nivel redus de energie și apoi transformat înapoi într-un semnal electric de tensiune, ca informația sa poata fi extrasă ulterior.

Transfer de energie sau te putere wireless poate devein o potential metodă alternativă in mai toate aplicațiile din viitor. Cu toate acestea, multe provocări de design și obstacole tehnologice trebuie să fie abordate și depășite.

Transferul de putere prin inductie electromagnetica(TPI)

Transferul de putere prin inducție electromagnetică (TPI) este o tehnică populară de transfer wireless pe distanță scurtă. Aceasta tehnică de transfer derivă din cele două legi fundamentale ale teoriei câmpului electromagnetic: legea circuitului magnetic (legea lui Ampère) și legea inducției electromagnetice (legea lui Faraday). Funcționarea acestor sisteme TPI se bazează pe variația câmpului magnetic care este creat datorită curentului alternativ din primar inducând o tensiune într-un circuit secundar, cuplat magnetic cu cel primar prin aer.

În scopul îmbunătățirii eficienței transferului de putere, modurile cuplate rezonante ale bobinelor sunt stabilite prin intermediul conectării unor condensatoare suplimentare. Aceasta tehnică este una dintre cele mai populare pentru transferul de putere fără fir care și-a găsit aplicații diverse, inclusiv în dispozitivele de alimentare a consumatorilor, implanturi biomedicale, sisteme de manipulare a materialelor, aplicații de iluminat și de contact, de livrare de energie sub apă, mașini electrice.

Aceste 2 legi sunt cele două principii cheie din spatele funcționării fiecărui transfer wireless, sau prin transfer de putere inductiv (IPT). Legea lui Ampere afirmă că un câmp magnetic este produs în jurul unui conductor care transportă curent electric, cu o rezistență proporțională cu cea a curentului. Pe de altă parte, legea lui Faraday spune că un câmp magnetic alternativ poate induce o forță electromotoare într-un conductor, care este proporțională cu puterea câmpului magnetic.

In Figura(5), prezenta mai jos, este ilustrat modul în care aceste două legi pot fi aplicate împreună pentru a transfera puterea fără ajutorul unui fir/conductor. Curentul alternativ trece printr-o bobină, denumită bobina primară sau de transmitere, producând un câmp magnetic alternativ. În cazul în care o a doua bobină, denumită în bobina secundară sau de receptie, este amplasata în imediata apropiere cu transmițătorul. Câmpul magnetic induce o forță electromotoare în bobina și curentul circula în cazul în care o sarcină este conectata la bobina. Astfel, puterea este transferată de la bobina transmițătorului la bobina receptorului. Metoda inducției electromagnetice se bazează pe interacțiunea câmpurilor magnetice și a materialelor conductoare.

Figura(5). Principiul de functionare al unui sistem TPI

Diagrama bloc a unui sistem modern TPI, este prezentat în Figura(5.1). Transmisia și recepție de catre bobinele cuplate magnetic mai pot fi intalnite si sub denumirea de "link-uri/conexiuni inductive" ale sistemului TPI.

Figura(5.1). Diagrama bloc a unui sistem modern de IPT

Nu este necesar ca bobinele cuplate să fie identice, acestea avand diferite dimensiuni și forme. Bobinele pot fi situate la orice distanță și orientare în unul fata de celalalt.

Invertorul DC/AC, de asemenea, numit în continuare " bobina primar", generează curent alternative(CA) la ieșire, de frecventa inalta, de la o sursă de tensiune continua(DC). Acest curent de înaltă frecvență trece prin bobina primară a legăturii inductive, pe care mai apoi îl transformă într-un câmp magnetic alternative de frecvență ridicata. Acest câmp magnetic alternative la randul lui, este preluat de bobina secundară a legăturii inductive, care apoi se transformă într-o tensiune de curent alternativ. Tensiunea de curent alternativ este apoi utilizată pentru a alimenta o sarcină, cum ar fi un bec incandescent. Un redresor AC/DC poate fi utilizat pentru a transforma tensiunea de curent alternativ într-o tensiune de curent continuu în cazul în care sarcina cu care se doreste a fi alimentat este o sarcină de curent continuu, cum ar fi o diodă emițătoare de lumină (LED-uri) sau orice dispozitiv electronic. Convertoarele suplimentare DC/DC pot fi necesare pentru a furniza o tensiune de intrare reglementată de curent continuu la invertor DC/AC și o tensiune de ieșire reglată de la redresor AC/DC.

Aceasta legatura inductiva poate fi asociata cu un transformator de curent alternativ cu o inductanță ridicată. În acest transformator, o cantitate mică a fluxului magnetic produs de prima bobină intră în a doua bobină. Ca urmare, cantitatea de energie ce poate fi transferata printr-un sistem este în general scăzută. Această problemă limitează utilizarea WPT bazat pe cuplaj inductiv. Recent, utilizarea modelării elementelor finite în proiectare a permis arhitectilor să realizeze factori de cuplare mai buni în comparație cu ceea ce a folosit în urmă cu câteva decenii.

Sistemele IPT sunt potrivite pentru transmiterea puterii pe distanțe scurte, dat fiind că puterea câmpului magnetic produs de bobina transmițătorul devine foarte slab la distante mari, iar cu toate acestea, se degradează rapid pe măsură ce distanța crește. Spre deosebire de alte metode WPT, eficiența unui sistem IPT poate ajunge până la o eficienta de 95%, pe distanțe scurte.

CAPITOLUL III. Propagarea undelor de Radiofrecventa

Identificarea pasiva prin Radiofrecventa(RF)

Aceasta identificare este o tehnologie ce permite transferul wireless al datelor stocate într-un dispozitiv, prin intermediul undelor electromagnetice. Un astfel de sistem este alcătuit dintr-un "cititor", care reprezintă transmițătorul și este denumit în continuare "interogator" și o "etichetă" ce reprezintă receptorul, ce deține anumite date pe care cititorul trebuie să le obțină . Există trei tipuri de etichete disponibile: tag-uri pasive, semi-pasive și active.

Datele sunt transferate între cititor și tag prin intermediul unor tehnici de modulație de sarcină în cazul în care impedanța reflectată de cititor este modulată de tag-ul pasiv ce reprezinta datele. In etichete semi-pasive, puterea este obținută dintr-o sursă de alimentare separată, dar transmiterea datelor se face într-un mod similar cu cel de etichete pasive. Tag-urile active au propria lor transmitator si sursă de alimentare pentru a transfera date.

Conversia RF-DC

Considerand 45% din bateriile produse ca fiind de unică folosință, în cazul în care tehnologia fără fir poate înlocui puterea de 2% din dispozitivele alimentate cu baterii într-un an, 11.600 de tone metrice de CO2 pot fi salvate (aproape un hummer pentru fiecare încărcător de telefon mobil cu fir înlocuit cu putere fără fir). WPT poate îmbunătăți eficiența energetică, reduce cantitatea de deșeuri de mercur și poate conserva aerul curat prin diminuarea emisiilor de carbon ulterioare.

Descrierea acestei lucrari poate contribui la un model optim pentru transferul de putere fără fir cu ajutorul ambelor tehnici de cuplare inductive și radio-frecventa(RF) la procesele de conversie în curent continuu. Cuplajul inductiv constă în introducerea a două bobine de sârmă, suficient de aproapiate una de cealălta astfel încât acestea să acționeze ca un transformator: câmpul magnetic care radiază de la bobina de transmisie induce curent în bobina receptoare. Latimea benzii asociate cu un cuplaj inductiv implică câștig de tensiuni mai mici, și astfel mai puțină putere transmisă sarcinii. Cuplajul inductiv rezonant poate fi realizat prin încărcarea unei bobine cu condensatori, astfel încât combinatia inducto-capacitiva (LC) va rezona la o anumită frecvență iar acest lucru va duce la îmbunătățirea eficienței transferului de putere.

O altă metodă utilizează conversie RF-DC pentru transferul de putere fără fir. Aceasta metoda este atrăgătoare din motive de sănătate în care se evită prezența câmpurilor electromagnetice asociate cuplajului inductiv, și are un potențial mai mare pentru un transfer eficient de energie pe distanțe mai lungi. Transmițătorul utilizează frecvențe radio care acționează ca purtători pentru curentul continuu de energie electrică, pentru a trimite puterea de la un dispozitiv de recepție. Schema circuitului poate fi analizată in mod similar cu proiectarea unui circuit de comunicație fără fir RF: modularea unei frecvențe purtătoare trebuie să aibă loc pentru a distribui puterea la o anumită lățime de bandă. Receptorul RF transformă pulsul RF de putere înapoi la o tensiune de curent continuu, care alimentează dispozitivul de recepție.

In primul rând, un model de circuit teoretic este dezvoltat pentru a realiza cuplarea de rezonanță Q ridicata, care va avea o selectivitate de frecvență îngustă și câștig de mare putere transmisă. Dupa ce cu ajutorul formulei lui Grover [1] și FastHenry Software [2].

Pentru a calcula inductanțe mutuale dintre bobine și legăturile de flux, performanța circuitului teoretic este simulat prin rezolvarea ecuațiilor de nod modificate.

= unde [1]

[2]

În continuare, o tehnica de proiectare a bobinelor pentru uniformizarea liniilor de câmp magnetic este implementată prin rezolvarea soluției magneto-quasistatice a unei linii de curent. Următoarele componente sunt parte a cercetarii in curs de desfasurare, si pot fi adăugate în sistem pentru a îmbunătăți eficiența energetică, a minimiza pierderea puterii de transmisie și de a explora metode alternative de transfer a puterii wireless:

unitatea de control de la emițător și receptor, inclusiv un monitor de curent pentru a detecta când un dispozitiv este "în afara domeniului" emițătorului;

antena și unitatea de primire la transmițător care recunoaște un semnal de tip "în afara ariei de utilizare" trimis de la dispozitivul de recepție pentru a controla un comutator care poate profita de transferul de energie între emițător și receptor;

unitatea de stocare a energiei la receptor folosind un capacitor mai bun;

un convertor RF-DC, care poate înlocui bobinele cuplate inductiv ca mecanism de transfer de putere fără fir între emițător și dispozitivul de recepție;

CAPITOLUL IV. Modelul circuitului

Cuplajul inductiv rezonant

In Figura(6), este afișat aranjamentul a patru bobine separate în patru circuite izolate. Integrarea tehnologiei wireless în dispozitivele existente va fi esențială pentru succesul întregii industrii. Un exemplu bun fiind imaginea unei piese de mobilier comune, cum ar fi o masă, în care circuitul de transmisie este integrat, și un dispozitiv electronic, cum ar fi un telefon mobil, care acționează ca receptorul si este plasat direct pe partea de sus a mesei.

Pentru proiectarea preliminară ca în Figura(6), toate bobinele sunt modelate ca solenoizi, unde bobinele L1 și L2 sunt parte a circuitului de emisie, iar bobinelor L3 și L4 sunt la receptor. Ambele perechi de bobine sunt legate între ele, respectiv, pentru a maximiza cuplajul dintre ele și astfel să limiteze majoritatea pierderilor de putere a transmisiei între emițător și receptor. Deși toate cele patru bobine sunt cuplate inductiv între ele, cuplajul rezonant are loc între bobinele L2 și L3. Deoarece sursa de tensiune și sarcina rezistivă sunt conectate la cuplajul inductiv al bobinelor L1 și L4 și sunt izolate din circuitele rezonante cu bobine L2 și L3 și condensatoarele C2 și C3, sistemul este capabil de cuplaj rezonant Q ridicat.

Figura(6). Diagrama de afișarea separată a sistemului de cuplaj inductiv rezonant

Valorile rezistentelor din Figura(6), descriu rezistențele serie interne și sunt de obicei de ordinul mai mic de 1Ω, astfel încât există o pierdere minimă de tensiune de-a lungul circuitelor. Capacitatile paralele Cp trebuie să fie luate în considerare la determinarea valorilor C2 și C3. Pentru simplificare, sursa de tensiune de curent alternativ este asigurată de un generator de semnal a cărui frecvență este setat la fres. În mod ideal, acest lucru ar fi înlocuit cu o componentă de modulație de frecvență care poate lua valoarea de 60Hz, iar semnalul de alimentare de curent alternativ de la o priză electrică standard va amplific frecvența la fres cu pierderi minime de energie.

fres = =

Analiza teoretica a circuitului

Legăturile de flux și ecuațiile Kirchhoff ale tensiune în buclă sunt folosite pentru a rezolva ecuațiile nodale modificate pentru schema prezentată în Figura(5). Legăturile de flux a fiecarei bobine sunt legate de tensiunea de pe cele două capete ale fiecărui solenoid prin ecuatia (2).

= dt

Aceste legături de flux pot fi exprimate de catre inductanța mutuală între diferite bobine din circuit. Curentul I1 ce trece prin bobina L1 si produce campul magnetic B1. Unele dintre aceste linii de câmp trec prin celelalte bobine pentru a produce un flux magnetic de la campul B1 prin Li ca în ecutia [3], ce urmeaza a fi prezentata.

(3)

Proiectarea optima a bobinei

Tipul bobinei este foarte important atunci când se analizează punerea în practică a unui sistem de alimentare fără fir. De exemplu, liniile de câmp magnetic ale unui solenoid de perete subțire sunt aliniate cu axa verticală a solenoidului. Conceptual acest design poate fi ideal pentru transmiterea de putere pe distanțe mai mari în cazul în care dispozitivul de recepție este direct în conformitate cu bobina de transmisie solenoidala. Cu toate acestea, pentru integrarea transmițătorului într-un mobilier comun cum ar fi un birou sau o masă, precum și pentru integrarea bobinelor de recepție într-un dispozitiv electronic (telefon mobil), există constrângeri fizice în faptul că bobina trebuie să fie preponderent plat.

Prin urmare, alte desene sau modele trebuie să fie luate în considerare, astfel încât un dispozitiv de primire poate fi încărcat oriunde – nu doar pe o singură poziție, ideală – pe un transmițător integrat. Această distribuție va minimiza pierderea din inductanțele de magnetizare în transmițător si inductanțe parazite în receptor. Distribuția ideală poate fi găsita prin utilizarea rutinie de optimizare în Matlab pentru a rezolva soluția magneto-quasistatica a unui câmp magnetic.

Proiectarea optima a bobinei pentru o distribuție optima a câmpului este prezentat în Figura(7) pentru 12 intoarceri. Pornind de la centru și deplasandu-se spre exterior, distanțele scad cu aproximativ 20% față de distanța anterioară la fiecare intoarcere, iar razele curburilor fiecărei muchii rotunjite crește cu aproximativ 20% din razele interioare precedente. Prin urmare, tot ceea ce este necesar pentru a caracteriza acest tip de bobina este lungimea razei interioare.

Figura(7). Distributia optimă a campului magnetic pintr-o bobina

Prin urmare, tot ceea ce este necesar pentru a caracteriza acest tip de bobina este lungimea razei interioare. Acest model poate fi extrudat într-o formă dreptunghiulară pentru a satisface dimensiunea specificațiilor oricărui aparat de emisie sau receptie.O altă componentă care se ia în considerare este efectul de piele. La frecvențe de rezonanță mai mare, rezistențele pot fi marite ca si valoare datorită efectului de piele unde densitatea curentului la suprafața unui fir este mai mare decât în centru. Acest lucru produce un efect nedorit, deoarece prin înfășurare pierderea de putere va crește odată cu efectul de piele. Prin urmare, folosirea sârmei Litz va minimiza pierderea de putere din cauza efectului de piele. Acest tip de sarma este alcătuit din mai multe fire cu ecartamente subțiri țesute împreună pentru a forma un singur ecartament mai mare, cu densitate mare de ambalare.

Circuit complet

Deși cantități mai mari de putere pot fi transferate cu ajutorul unui sistem simplu, prin creșterea dimensiunilor de putere de intrare și parâme, este de dorit a se face un circuit compatibil cu un semnal de alimentare de curent alternativ de la o priză electrică, pentru a identifica cerințele de alimentare ale dispozitivului de încărcat, in vederea stocarii energiei în receptor pentru o utilizare ulterioară și transmisia închiderii alimentarii la un receptor care este în afara razei de acțiune a emițătorului. Pentru a realiza toate acestea, un sistem de cuplare bidirecțional trebuie să fie pus în aplicare pentru a transmite anumite frecvențe mai mari, fără aparitia interferențelor. Figura(8) prezintă schema bloc pentru un astfel de sistem.

Acest design nu a fost testat în laborator și îmbunătățirile aduse acesteia sunt încă luate în considerare. Conceptual, cu toate acestea, schema bloc reflectă în mod corespunzător intențiile sistemului.

Figura(8). Schema bloc a sistemului de transfer wireless cu ajutorul cuplajului inductiv pentru transferul de putere și un receptor RF și transmițător pentru transmisia de date

\

Sumar al functionarii Diagramei Bloc

Circuitul din Figura(9) este alimentat de la o priză electrică standard printr-un redresor AC-DC. Acest semnal DC este apoi distribuit printr-un regulator low-dropout (LDO), care este potrivit pentru utilizarea unitatii de control multipunct (MCU). Acest regulator LDO este ideal deoarece utilizează mai puțin curent decât un convertor tipic DC-DC și este capabil de manipularea tensiunilor ridicate, în scopul de a menține o tensiunea de ieșire constantă pentru MCU. Transmițătorul multipunct mai arată datele de la receptor (RF), care comunică cu emițătorul RF la receptor pentru a controla comutatorul S1 și convertorul DC-DC.

Practic, în cazul în care o sarcină (cum ar fi un telefon mobil) este în afara intervalului, apoi comutatorul S1 se va deschide, puterea va trece pe zero, se va ajunge la convertorul DC-DC, reducând astfel la minim de puterea folosita. În cazul în care telefonul mobil se află în raza de acțiune, atunci S1 se închide.

La receptor, semnalul de intrare de curent alternativ este convertit înapoi la DC. Senzorul de curent determină cât de mult curent este primit de către dispozitivul de încărcare. În cazul în care acest curent este sub un prag predeterminat, ceea ce înseamnă că telefonul este în afara razei de acțiune a bobinei de transmisie, atunci transmițătorul MCU este folosit pentru a transmite un semnal înapoi la receptor. Un semnal de ieșire din gama înseamnă, de asemenea, că comutatorul S2 se deschide și orice putere continuă să fie transmisa de către bobina de emisie (până când se oprește) si este stocată într-o unitate de stocare iar comutatorul S3 se închide, pentru a furniza în continuare puterea de la sarcina. În cazul în care dispozitivul de încărcare se află în raza de acțiune a bobinei de transmisie astfel încât primește curent suficient, comutator S2 se închide, iar sarcina este încărcată direct.

Capitolul V. Transferul RF-DC

Cu toate că tehnicile de cuplare inductive pentru transferul de putere wireless sunt în prezent în măsură să perceapă încărcături de mare putere, cum ar fi bateriile auto, aceste tehnologii pot fi în curând constrânse de limitările pentru câmpurile electromagnetice stabilite de Comisia Internațională pentru non protecția împotriva radiațiilor. Prin urmare, metodele alternative de transfer de putere wireless trebuie să fie explorate implică procese de conversie RF-DC.

Spre deosebire de cuplajul inductiv, această tehnică elimină necesitatea alinierii unghiulare între transmisia și recepția dispozitivelor. După cum am menționat în secțiunea, implementarea unei FSK bidirecțional, duce la o comunicare tehnica ce se face mai ușor cu procese de curent continuu, deoarece atat radio-frecventa cat si puterea de date sunt mai degraba efectuate pe impulsuri de energie RF, decât doar comunicarea datelor prin cuplaj inductiv.

Tot ceea ce este necesar pentru a descompunerea datelor fără fir și a semnalelor electrice încorporate într-o formă de undă cu FSK, este incorporarea unui demodulator la transmițător și o pereche modulator/demodulator la receptor. Provocarea cu tehnologia wireless de putere RF-DC va fi compatibilitatea cu aplicații de mare putere, deoarece există constrângeri cu privire la cât de mult puterea de curent continuu pot fi ambalate în impulsuri de energie transportate de frecvențe radio.

Figura(9). Diagrama bloc a sistemului de transfer wireless cu ajutorul receptorului RF și antena de transmisie wireless prin modulare FSK

Aceasta figura prezintă diagrama bloc pentru metoda de transfer fără cablu de alimentare și de date de la un transmițător la un dispozitiv de recepție. Componentele și MCU de circuit sunt folosite așa cum sunt si in Figura(6). Diferența principală este că bobinele cuplate inductiv pentru transferul de putere fără fir sunt înlocuite cu RF de transmisie și antene receptoare.

Concluzii

Această lucrare prezintă o analiză cuprinzătoare a tehnologiei de transfer de putere wireless folosind tehnici de cuplare inductive și rezonante, inclusiv un model teoretic de circuit pentru a simula performanța de circuit, desene sau modele elicoidale optimizate, precum și componente de circuit suplimentare care pot fi utilizate pentru a pune în aplicare, practic, un sistem eficient de putere fără fir cu un minim de consum de putere.

Durabilitate, cost redus, ușurința în utilizare, și comoditatea sunt printre factorii de conducere, care vor contribui la succesul acestei piețe în curs de dezvoltare în industrie. Prin urmare, sistemele discutate în această lucrare sunt direcționate catre dispozitive ale căror baterii poate fi complet înlocuite. Astfel de dispozitive includ lămpi, ceasuri de alarmă, lumini de birou, telecomenzi, aparate radio, cuptoare cu microunde, electrocasnice si altele, care sunt întotdeauna pe sau în jurul unei suprafațe care are integrata un transmițător.

Secțiunile VII și VIII din prezentul document prezintă teme de cercetare în curs de desfășurare, care utilizează diverse tehnici de putere fără fir și de comunicații de date, și pot contribui la un model practic pentru un sistem de alimentare fără fir.

Bibliografie:

[1] W. Massie, C. Underhill, Wireless Telegraph and Telephony. New York, NY: D. Van Nostrand Company, 1909, pp. 71.

[2] O. Wing, Classical Circuit Theory. New York, NY: Springer Science + Business Media, 2008, pp. 145-152.

[3] S. I. Babic, C. Akyel, “Calculating Mutual Inductance Between Circular Coils with Inclined Axes in Air,” IEEE Trans. Magnetics, vol. 44, no. 7, pp. 1745, July 2008.

[4] MIT Fast Field Solvers. (2010, January 26). FastHenry Software [Online]. Available: http://www.fastfieldsolvers.com/main.htm

[5] A. Van den Bossche, V. C. Valchev, Inductors and Transformers for Power Electronics. Boca Raton, FL: CRC Press, 2005, pp. 19.

[6] K. L. Kaiser, Electromagnetic Compatibility Handbook. Boca Raton, FL: CRC Press, 2000, pp. 5-12.

[7] National Semiconductor, “LM3407 Datasheet.” January 2009 [Online].

Available: http://www.national.com/ds/LM/LM3407.pdf

[8] R. C. Johnson. (2007, January 11). “Wireless Beacon could Recharge Consumer Devices.” EE Times [Online]. Available: http://www.eetimes.com/news/latest/showArticle.jhtml?articleID=19690 0082