Zasilanie bez przewodów

Sprawność i moc

Wysoka sprawność systemów bezprzewodowego przesyłania energii stanowi podstawę rynkowego sukcesu. Jednym z parametrów wpływających na straty jest współczynnik dobroci cewek zastosowanych w urządzeniu. Na sprawność wpływa także współczynnik sprzężenia magnetycznego określający, jaka część strumienia magnetycznego wytworzonego w cewce nadawczej jest odbierana przez cewkę odbiorczą.

Rys. 5. Dopuszczalne limity gęstości prądu i współczynnika SAR według zaleceń ICNIRP Rys. 6. Szacowana moc uzyskiwana z zasilania bezprzewodowego przy zachowaniu zaleceń ICNIRP

Może być on zawarty w przedziale od 0 (brak sprzężenia magnetycznego) do 1 (idealne sprzężenie magnetyczne) i jest uzależniony od rozmiaru cewek, odległości między nimi, a także od kształtu oraz kąta, pod jakim są ułożone względem siebie. Zazwyczaj wartość tego współczynnika jest zawarta w przedziale od 0,3 do 0,6. Na rysunku 2 przedstawiono sprawność systemu zawierającego cewkę o dobroci równej 100. Wszystkie wymiary są wyrażone względem średnicy większej cewki (nadawczej lub odbiorczej) i z/D oznacza odległość między elementami indukcyjnymi, natomiast D2/D określa rozmiar mniejszej cewki.

Na podstawie podanego wykresu można zauważyć, że sprawność ulega zmniejszeniu, gdy odległość jest duża (z/D>1) oraz gdy cewki znacząco różnią się rozmiarem (D2/D<0,3). Wysoką sprawność uzyskuje się, gdy obie cewki są zlokalizowane blisko siebie (z/D<0,1) i mają podobne wymiary (D2/D = 0,5.1). Ważną metodą zwiększania sprawności jest stosowanie obwodów rezonansowych, co zauważył już Nicola Tesla podczas swoich eksperymentów.

Technika ta zwiększa współczynnik sprzężenia magnetycznego obu cewek dzięki wzbogaceniu układu odbiorczego i nadawczego o kondensatory, w wyniku czego powstaje układ rezonansowy. Podstawową aplikację przedstawiono na rysunku 3. Cewka nadawcza oraz odbiorcza mogą być traktowane jako słabo sprzężone uzwojenia transformatora, w którym występują indukcyjności pasożytnicze - rysunek 4. Obecność kondensatorów umożliwia zniwelowanie ich wpływu i tym samym zmniejsza straty. W przypadku systemów rozsiewczych pojawia się dodatkowy problem, jakim jest orientacja cewki w przestrzeni.

Jej ułożenie przekłada się na uzyskiwaną sprawność, dlatego rozważa się stosowanie wieloosiowych cewek lub więcej niż jednej. Pozwoliłoby to zwiększyć współczynnik sprzężenia magnetycznego przy dowolnym ułożeniu odbiornika w przestrzeni. Warto zauważyć, że nie tylko ułożenie anteny odbiorczej i jej odległość od nadajnika stanowi problem, gdyż jest nim również interakcja pola magnetycznego z otoczeniem. W szczególnie niesprzyjających okolicznościach mogą powstawać obszary o bardzo słabym natężeniu pola magnetycznego.

Kiedy odbiornik znajdzie się wewnątrz takiego obszaru, nie będzie w stanie pozyskać wystarczającej ilości energii i urządzenie nie będzie zasilane. Podobna sytuacja jest spotykana w układach telekomunikacyjnych bądź radiowych - istnieją miejsca, w których sygnał jest zbyt słaby, aby można było go poprawnie odebrać. Sytuację dodatkowo pogarsza obudowa, która często ma stanowić ekran chroniący przed zaburzeniami elektromagnetycznymi, ale przy okazji utrudnia zasilanie cewki odbiorczej znajdującej się w urządzeniu.

Rozwiązanie stanowić mogą układy sterujące odpowiedzialne za kontrolowanie natężenie pola i dostosowywanie go do bieżących warunków otoczenia. Ich obecność jest kluczowa zwłaszcza w systemach wymagających maksymalnego zestrojenia nadajnika i odbiornika. Rozwiązania tego typu powinny być implementowane od samego początku, aby zmniejszyć ryzyko nieprawidłowej pracy urządzeń bazujących na zasilaniu bezprzewodowym i zapobiec irytacji użytkowników, gdy system nie będzie działał w każdych warunkach.

Rys. 7. Zasada działania osłony z materiału ferromagnetycznego Rys. 8. Działanie osłony z materiału ferromagnetycznego i ekranu z miedzi

Bez elektronicznych systemów sterowania i regulacji prawdopodobne jest, że technologia straci znaczący atut, jakim jest wygoda i niezawodność. Duże znaczenie dla końcowego użytkownika ma moc, jaka może zostać przesłana do odbiornika, gdyż określa ona z jakiego sprzętu będzie można korzystać, a z jakiego nie. W systemach zasilania bezprzewodowego moc jest ograniczona głównie przez straty i związane z tym wydzielanie ciepła.

Nadmierne nagrzewanie się podzespołów jest niedopuszczalne i konieczne staje się ograniczanie strat. Najprostszą metodą jest stosowanie cewek o dużej dobroci i zapewnienie wysokiego współczynnika sprzężenia magnetycznego. Uzależnienie strat energii od tych dwóch czynników pozwala rekompensować jeden kosztem drugiego, np. słabe sprzężenie magnetyczne może zostać zrekompensowane większą dobrocią cewek.