Wyzwania i możliwości zasilania bezprzewodowego

| Technika

Technika zasilania bezprzewodowego (wireless power transfer, WPT) w coraz większym stopniu zaczyna się pojawiać w życiu codziennym i nadaje się do urządzeń o coraz większej mocy. Przed kilku laty firma WiTric zademonstrowała płaski 43-calowy telewizor wysokiej rozdzielczości zasilany bezprzewodowo przez kartonową płytę ścienną. To znak, że prace badawczo-rozwojowe nabierają tempa.

Wyzwania i możliwości zasilania bezprzewodowego

Energię do zasilania układów elektronicznych można przesyłać za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Przeważnie korzysta się w tym celu z magnetycznego sprzężenia pomiędzy dwiema cewkami, tworzącymi rodzaj powietrznego transformatora. Cewki te są składnikami dwóch obwodów rezonansowych, nadawczego w zasilaczu i odbiorczego w urządzeniu zasilanym. Rysunek 1 przedstawia dwa sprzężone magnetycznie obwody rezonansowe, służące do przekazywania energii. Od rozmiarów i geometrii oraz od dobroci Q i współczynnika sprzężenia k cewek sprzęgających zależy sprawność takiego systemu zasilania. W praktyce powyżej około 18 cm ich średnicy sprawność ta spada.

Zasilanie bezprzewodowe jest również możliwe za pośrednictwem pola elektrycznego pomiędzy płaszczyznami, tworzącymi kondensatory powietrzne. Na rysunku 2 pokazano system pojemnościowego zasilania bezprzewodowego, wraz z jego schematem zastępczym, składającego się z dwóch płaskich kondensatorów, których elektrody są elementami zasilacza i urządzenia zasilanego. W praktyce system pojemnościowy wykazuje niedogodności związane z wydzielaniem ozonu i z oddziaływaniem ze znajdującymi się w polu substancjami, w tym biologicznymi, ale zapewnia nieco większy zasięg.

 
Rys. 1. Ilustracja zasady bezprzewodowej transmisji mocy polem magnetycznym wielkiej częstotliwości
 
Rys. 2. Ilustracja zasady bezprzewodowej transmisji mocy polem elektrycznym wielkiej częstotliwości: (a) przykładowy schemat, (b) schemat zastępczy

Pojemnościowe WPT znalazło szczególnie korzystne zastosowanie do szybkiego ładowania akumulatorów dronów w zawisie, co pokazuje rysunek 3. Wiele innowacji dotyczy cewek – na rynku pojawiają się nowe rozwiązania cewek wielouzwojeniowych o zwiększonej skuteczności. Zapewniają większą sprawność, nieco zwiększają zasięg i znacznie poszerzają obszar odbioru mocy. Dla pokrycia takiego samego obszaru są one skuteczniejsze niż cewki pojedyncze.

 
Rys. 3. Doładowywanie akumulatora drona w zawisie nad stacją naziemną WPT. Odległość pomiędzy prostokątnymi cewkami nadawczą stacji i odbiorczą drona wynosi kilka milimetrów, zapewniając duży współczynnik sprzężenia

 

Telewizor bezprzewodowy

 
Rys. 4. Ładowarka smartfonów Powermat, używana przez Starbucks i in.

Jedną z najbardziej użytecznych aplikacji WPT jest ładowarka do smartfonów (rys. 4), ale imponująco wygląda dopiero bezprzewodowe zasilanie telewizora firmy EPC. Obsługuje ono 43-calowy płaski odbiornik TV Vizio, model D43-D1 pobierający 85 W (rys. 5).

Odbiornik ten jest zasilany napięciem zmiennym ze współczynnikiem mocy równym 1, zatem cała pobierana moc jest wykorzystywana w obciążeniu. Ponieważ układy elektroniczne telewizora wymagają jedynie napięć stałych, prostownik z dużymi kondensatorami elektrolitycznymi nie jest potrzebny.

Schemat tego systemu jest pokazany na rysunku 6. Do zasilania cewki nadawczej użyto wzmacniacza klasy D z różnicowym przełączaniem przejścia napięcia przez zero (diff erential zero voltage switching, ZVS). Architektura różnicowa, zwłaszcza powyżej 300 MHz, zmniejsza emisję promieniowania EMI, bo napięcie wyjściowe jest względem ziemi przy tej samej mocy o połowę mniejsze. W tym przypadku częstotliwość nadawania mieści się w paśmie ISM 6,78 MHz.

 
Rys. 5. Rozwiązanie układowe techniki zasilania WPT poprzez zwykłą kartonową płytę ścienną telewizora HD Vizio (EPC)

 

Możliwości usprawnienia życia przez WPT

WPT wykorzystywane w dronach może być pożyteczne dla takich firm, jak Amazon, UPS czy Federal Express w systemie dostarczania paczek z użyciem dronów. W medycynie bezprzewodowe zasilanie implantów znacznie zmniejszy ryzyko infekcji. Początkowo akumulatory stymulatorów nerwowych czy rdzenia kręgowego oraz pomp wspomagających serce będą mogły być ładowane w czasie snu pacjenta z około metrowej odległości. Bezprzewodowe zasilanie jest w stanie wyeliminować grożące pożarami niebezpieczne iskrzenia na stacjach paliwowych, w obszarach bogatych w tlen czy w silnie zapylonych silosach z ziarnem.

Nasuwa się jednak wątpliwość: czy nieustanne przebywanie w wszechobecnym polu wielkich częstotliwości będzie równie nieszkodliwe jak w polu 50 Hz, w którym od pokoleń żyjemy w naszych mieszkaniach? (KKP)

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie