Zasilanie bez przewodów

Bezpieczeństwo

Zmienne pole magnetyczne może mieć negatywny wpływ na organizm ludzki. Z tego względu komisja ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) publikuje zalecenia bazujące na setkach wydawnictw opracowanych przez jej członków. Określają one m.in. dopuszczalną gęstością prądu indukowanego w organizmie człowieka pod wpływem pola elektromagnetycznego oraz wartość współczynnika tempa pochłaniania energii elektromagnetycznej SAR (Specific Absorption Rate).

Dopuszczalne natężenie pola jest uzależnione od jego częstotliwości - przedstawiono to na rysunku 5. Rozróżnia się dwa poziomy ochrony: przeznaczony dla ludności oraz dla pracowników. Ten drugi poziom jest mniej restrykcyjny, gdyż zakłada się, że osoby narażone na działanie pola elektromagnetycznego w czasie wykonywania pracy są świadome zagrożenia i posiadają wiedzę oraz środki pozwalające zapewnić sobie bezpieczeństwo.

Rys. 9. Skuteczność ekranowania materiału ferromagnetycznego i ekranu miedzianego

Warto dodać, że współczynnik SAR jest rozgraniczany pomiędzy głowę, kończyny oraz tułów. Dla poszczególnych części ciała jego wartość jest inna. Maksymalna moc, jaka może zostać przesłana do urządzenia, jest ograniczona przez względy bezpieczeństwa określane na podstawie wytycznych komisji ICNIRP. W przypadku jednorodnego strumienia magnetycznego moc jest uzależniona od napięcia, jakie indukuje się w cewce odbiorczej urządzenia. Dla anteny odbiorczej w formie pętli i sygnału sinusoidalnego napięcie to jest proporcjonalne do częstotliwości i średnicy cewki.

Chcąc zrealizować rozsiewczy system zasilania bezprzewodowego należy pokryć docelowy obszar polem elektromagnetycznym. Umożliwi to korzystanie z urządzeń zasilanych bezprzewodowo praktycznie w każdym miejscu na tym obszarze. Oczywiście ciało człowieka będzie w całości narażone na oddziaływanie pola elektromagnetycznego, dlatego limity narzuconych przez ICNIRP będą dość restrykcyjne. W praktyce oznacza to, że urządzenia mobilne mające antenę o średnicy od 4...10cm będą w stanie pobierać moc na poziomie 2...30mW.

Pokazuje to wykres z rysunku 6. Jest to wartość niewystarczająca dla potrzeb współczesnego sprzętu elektronicznego. Z tego względu zastosowanie znajduje metoda polegająca na przesyłaniu skupionego pola magnetycznego bezpośrednio do urządzenia znajdującego się w bardzo małej odległości. Nie będzie to już system rozsiewczy, ale użytkownik będzie narażony jedynie na działanie promieniowania magnetycznego "wyciekającego" spomiędzy obu urządzeń (nadawczego i odbiorczego). Jego natężenie będzie jednakże znacznie mniejsze i pozwoli to na przesyłanie większych mocy.

Dodatkową ochronę w systemach zbliżeniowych stanowi ekranowanie, które ogranicza emisję promieniowania do otoczenia, zapobiega interferencjom z urządzeniami pracującymi w pobliżu, przeciwdziała podgrzewaniu struktury wewnętrznej baterii oraz powstawaniu prądów wirowych w metalowych przedmiotach. Istnieją dwie zasadnicze metody ekranowania pola magnetycznego o niskich i średnich częstotliwościach.

Pierwszą z nich jest wykorzystanie zjawiska odchylania strumienia magnetycznego przez materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej (np. ferromagnetyczne). Strumień magnetyczny koncentruje się w ścieżkach o niskiej reluktancji i kierunek jego propagacji ulega zmianie, co ogranicza promieniowanie. Osłona musi być jednak odpowiednio gruba, aby skuteczność ekranowania była zadowalająca (rys. 7). Drugim sposobem ekranowania jest wytwarzanie przeciwnego strumienia magnetycznego, co wymaga dodatkowej warstwy miedzi, w której, zgodnie z prawem Faradaya, powstaną prądy wirowe wytwarzające przeciwstawny strumień magnetyczny.

Rys. 10. Schemat budowy zbliżeniowego systemu zasilania bezprzewodowego Rys. 11. Symulacja natężenia pola magnetycznego w pobliżu pracującego systemu

Zredukuje on, na skutek superpozycji, ilość energii emitowanej do otoczenia - rysunek 8. Warto wspomnieć, że obie te metody mogą być stosowane niezależnie. Na potrzeby testowania osłon elektromagnetycznych wprowadza się parametr określający skuteczność ekranowania SE (Shielding Effectiveness). Jest on definiowany jako iloraz między natężeniem pola bez ekranowania w przyjętej odległości od urządzenia do natężenia pola po uwzględnieniu ekranowania.

Na rysunku 9 przedstawiono wykres ilustrujący wpływ osłony ferrytowej, warstwy miedzi oraz obu tych rozwiązań na natężenie pola magnetycznego emitowanego przez pracujący system. Dzięki takiemu kompleksowemu podejściu ilość energii przesyłanej do odbiornika może być znacząco zwiększona bez naruszania zaleceń komisji ICNIRP. Na rysunku 10 widać poglądową ilustrację systemu działającego na zasadzie zbliżeniowej z dodanymi osłonami.

Układ ten jest złożony z cewki odbiorczej z umieszczonym nad nią ekranem wykonanym z materiału ferrytowego oraz z cewki nadawczej (niewidoczna na rysunku), pod którą również znajduje się osłona ferrytowa. Projektując urządzenia wykorzystujące zmienne pole magnetyczne, należy ocenić, czy nie powstanie zagrożenie dla użytkowników. Jedną z metod jest symulacja komputerowa oparta na metodzie FEM (Finite Element Methods).

Umożliwia ona znalezienie i oszacowanie krytycznych punktów systemu, w których promieniowanie jest najsilniejsze. W oparciu o takie symulacje można stwierdzić, że natężenie pola magnetycznego ulega szybkiemu zmniejszeniu wraz ze wzrostem odległości, a obszary krytyczne są zlokalizowane w pobliżu pracującego systemu. Niekiedy taka metoda badań pozwala wykryć "gorące punkty", których nie da się zlokalizować podczas pomiarów, gdyż używane sensory zbyt mocno uśredniają wyniki (powszechnie stosowane czujniki mają średnicę 10cm).

Dodatkowo dzięki wykorzystaniu modelowania części ciała można ocenić dokładny rozkład pola i jego oddziaływanie na człowieka, co nie zawsze jest łatwe do zmierzenia. Na rysunku 11 przedstawiono przykładową symulację przeznaczoną do oceny wpływu pola magnetycznego na rękę człowieka zbliżoną do pracującego urządzenia. Zastosowano tutaj model ludzkiej ręki odpowiedni dla symulacji bazującej na metodzie FEM. Na tej podstawie można stwierdzić, że transmisja energii o mocy 5W bez zagrożenia dla człowieka jest realna.