Беспроводная передача энергии: основы и преимущества

Потеря мощности при передаче по проводам достигает ~24% (данные World Resource Institute) из-за сопротивления линий. Концепция беспроводной передачи энергии (WPT), введённая Николой Тейлором, использует электромагнитную индукцию для передачи электричества без проводов, снижая потери и повышая эффективность.

WPT использует три системы: резонансную, солнечные ячейки и микроволновую передачу.

1. Что такое схема беспроводной передачи энергии?

Беспроводная передача — передача электроэнергии от источника к нагрузке/приёмнику без проводников. Быстрая, надёжная, для ближнего и дальнего действия.

Технология рекомендуется для зарядки гаджетов (ноутбуки и др.) благодаря гальванической развязке — ниже риск удара током.

Принцип работы

Система WPT: передатчик, среда, приёмник — работают на индуктивном связывании.

Передатчик: электрическая энергия (как ЭМ волны, свет, меняющееся магнитное поле) преобразуется в другую форму энергии для получения подходящего уровня мощности.

Среда: вакуум, воздух, твёрдое тело. Металлическая среда не подходит — не пропускает энергию для тепловой генерации.

Приёмник: принимает переданную мощность, преобразует в электричество. Устройство готово к работе.

Необходимые компоненты

• 20–30 витков эмалированного медного провода (электромагнитная катушка)
• Батарея 1.5 В
• Транзистор 2N2222
• Светодиод
• Резисторы 1.2 кОм
• Бредборд

Катушка наматывается проводом на каркас. Работает за счёт магнитного связывания для передачи энергии между цепями. Существуют различные катушки: Максвелла, Тесла, дроссели, Баркера — подбираются под параметры схемы.

Советы по проектированию:

Передатчик: 17 витков, центральный отвод, ещё 17 витков. Приёмник: 34 витка, без центрального отвода.

Структура схемы

Две части: передатчик и приёмник.

Передатчик: схема и работа

Источник переменного тока питвает катушку передатчика, создавая ЭМ-поле. При центральном отводе катушки обе стороны заряжаются. На схеме: одна сторона катушки к коллектору NPN-транзистора, другая — к резистору.

При заряде база-резистор открывает транзистор. Транзистор разряжает катушку через эмиттер, заземлённый. Одновременный заряд/разряд генерирует высокочастотный переменный ток/колебации, создавая передаваемое магнитное поле.

Приёмник: схема и работа

Катушка приёмника улавливает высокочастотное магнитное поле передатчика. Генерирует ЭДС, зажигающую светодиод. Закон Фарадея управляет работой приёмной катушки.

2. Эффективность беспроводной передачи энергии

Оценка эффективности WPT — ~10% или ниже.

Формула: КПД = (P_out / P_in) × 100%, P = U × I.

Низкий КПД объясняет применение только в маломощных устройствах (электрозубные щётки), а не в электромобилях. При массовом использовании неэкологично: нужно в 10 раз больше энергии для запуска, рост генерации вредит планете и человеку.

К счастью, все виды WPT регулируются нормами безопасности для людей.

3. Преимущества и недостатки

Преимущества

• Экономичность.
• Простая разработка схемы.
• Низкая рабочая частота тока.
• Возможность герметичных изделий (нет разъёма зарядки).
• Повышение долговечности: нет механического износа разъёмов.
• Подходит для малых расстояний (NFC — ближнее поле).

Недостатки

• Низкая эффективность на больших расстояниях. Решение: увеличить число витков.
• Низкий КПД. Решение: лучшие драйверы передачи (IC), MOSFETы, push-pull топологии.
• Высокие потери энергии — небезопасно для экологии.
• Ненаправленность / нелинейность паритет-времени.

4. Применение схем беспроводной передачи

• Моделирование,
• Транспорт (электромобили),
• Промышленная инженерия,
• Медицинские устройства / импланты,
• Ретинальные протезы,
• Потребительская электроника,
• Отопление и вентиляция.

Заключение

Обзор основ WPT, вызовов, применений и преимуществ. WPT используется для зарядки электромобилей, портативных и мобильных устройств.

Эффективная и надёжная передача возможна благодаря ключевым усилителям класса D с обратной связью по току в мощной паритет-временной симметрии, решающей проблему ненаправленности.

Нужна техническая помощь по WPT? Пишите — ответим максимально быстро.