Différents types de technologies de transfert d'énergie sans fil et leur fonctionnement

Chaque système ou appareil électronique a besoin d'une alimentation électrique pour fonctionner, que ce soit à partir de votre alimentation secteur murale ou d'une batterie. Cette puissance électrique ne peut pas être stockée à l'infini dans un appareil rechargeable comme des batteries, des condensateurs ou des supercondensateurs. Ainsi, tous les appareils portables tels que les ordinateurs portables ou les téléphones mobiles doivent être connectés à des lignes d'alimentation CA pour recharger régulièrement leurs batteries.

En règle générale, des câbles électriques sont utilisés pour connecter ces appareils rechargeables tels que les smartphones, les tablettes, les écouteurs, les haut-parleurs Bluetooth, etc. à des adaptateurs AC-DC. L'utilisation de câbles conducteurs électroniques pour transférer de l'énergie ou des données entre deux systèmes est le moyen le plus basique et le plus populaire depuis la découverte de l'électricité elle-même. Et les gens sont heureux d'utiliser les câbles électriques jusqu'à présent, mais avec les progrès de la technologie, la sécurité humaine et la soif de l'humanité pour la perfection dans la beauté conduit aux concepts de transfert d'énergie sans fil (WPT) ou de transmission d'énergie sans fil (WET) dans l'image qui est perdu depuis longtemps dans l'histoire. Dans certains de nos articles précédents, nous avons expliqué en détail la transmission de puissance sans fil et également construit un circuit pour transférer sans fil la puissance pour allumer une LED.

La première application expérimentale considérable pour le transfert de puissance sans fil (WPT) a été réalisée au début des années 1890 par l'inventeur Nikola Tesla. Au cours des expériences, l'énergie électrique est transmise par couplage inductif et capacitif à l'aide de transformateurs résonants à radiofréquence excités par étincelles, maintenant appelés bobines Tesla. Bien que ces expériences réussissent partiellement, elles ne sont pas efficaces et nécessitent un investissement élevé. Ainsi, plus tard, ces expériences sont abandonnées et l'étude technologique a stagné pendant de nombreuses années. Nous avons également construit une mini bobine tesla pour démontrer le concept des bobines Tesla.

Bien qu'il n'y ait pas encore de moyen efficace de fournir une puissance élevée sans fil, il est possible de concevoir un circuit avec les progrès technologiques actuels pour transférer efficacement une faible puissance entre deux systèmes. Et les chargeurs sans fil sont conçus sur la base de ce circuit nouvellement développé qui lui permet d'alimenter sans fil les smartphones et autres petits appareils électroniques.

Diverses technologies de charge sans fil utilisées dans le chargeur sans fil

Depuis que le concept de transfert d'énergie sans fil est devenu populaire, les scientifiques et les ingénieurs ont proposé diverses façons de réaliser ce concept. Bien que la plupart de ces expériences aient abouti à des échecs ou à des résultats peu pratiques, peu de ces expériences ont produit des résultats satisfaisants. Ces méthodes testées et efficaces pour réaliser un transfert d'énergie sans fil ont leurs propres avantages, inconvénients et fonctionnalités. Parmi ces différentes méthodes, seuls quelques-uns sont utilisés dans la conception de chargeurs sans fil. Alors que d'autres méthodes ont leur propre domaine d'application et leurs avantages.

Maintenant, pour une meilleure compréhension, ces méthodes sont classées en fonction de la distance de transmission, de la puissance maximale et de la méthode utilisée pour réaliser la transmission de puissance. Dans la figure ci-dessous, nous pouvons voir différentes manières utilisées pour réaliser la technologie de transfert d'énergie sans fil et leur classification.

Ici,

La première et la plus importante classification est basée sur la distance de transfert de puissance possible. Dans les méthodes expérimentées, certains sont capables de fournir de l'énergie sans fil à des charges éloignées tandis que d'autres ne peuvent fournir de l'énergie qu'à des charges à seulement quelques centimètres de la source. Ainsi, la première division est basée sur le fait que la méthode soit de champ proche ou de champ lointain.
La différence de capacité de distance est basée sur le type de phénomène utilisé par diverses méthodes pour obtenir un transfert d'énergie sans fil. Par exemple, si le support utilisé par la méthode pour fournir de l'énergie est l'induction électromagnétique, la distance maximale ne peut pas être supérieure à 5 cm. En effet, la perte de flux magnétique augmente de façon exponentielle avec une augmentation de la distance entre la source et la charge qui conduit à des pertes de puissance inacceptables. D'autre part, si le milieu utilisé par la méthode pour fournir de l'énergie est le rayonnement électromagnétiquealors la distance maximale peut aller jusqu'à quelques mètres. En effet, le DME peut être concentré sur un point focal situé à quelques mètres de la source. En outre, les méthodes qui utilisent le DME comme moyen de fournir de l'énergie ont une efficacité supérieure par rapport aux autres.
Dans les nombreuses manières mentionnées ci-dessus, certaines sont plus populaires que d'autres et les méthodes populaires largement utilisées sont discutées ci-dessous.

Il existe deux méthodes populaires de transmission d'énergie sans fil qui utilisent le rayonnement électromagnétique comme moyen de puissance micro-ondes et puissance laser / lumière

Transfert de puissance sans fil micro-ondes

Comme son nom l'indique dans cette méthode, il utilisera le spectre micro-ondes de l'EMR pour fournir de l'énergie à la charge. Tout d'abord, l'émetteur tirera son énergie d'une prise ou de toute autre source d'alimentation stable, puis réglera cette alimentation CA au niveau requis. Après cela, la puissance transmise générera des micro-ondes en consommant cette alimentation régulée. Les micro-ondes voyagent dans l'air sans aucune interruption pour atteindre le récepteur ou la charge. Le récepteur sera équipé de dispositifs appropriés pour recevoir ce rayonnement micro-ondes et le convertir en énergie électrique. Cette puissance électrique convertie est directement proportionnelle à la quantité de rayonnement micro-ondes atteint vers le récepteur et, par conséquent, un transfert de puissance sans fil utilisant un rayonnement micro-ondes est obtenu.

Transfert de puissance sans fil de lumière laser

Toute personne qui s'occupe de l'électronique et de l'énergie électrique devrait avoir rencontré un concept appelé production d'énergie solaire. Et si vous vous souvenez bien, le concept de production d'énergie solaire n'est rien d'autre que l'utilisation du rayonnement électromagnétique du soleil pour produire de l'électricité. Ce processus de conversion peut être basé sur des systèmes de panneaux solaires, de chauffage solaire ou tout autre et un chargeur d'énergie solaire peut être facilement construit à l'aide de panneaux solaires. Mais la question clé ici est que l'énergie transférée par le soleil à la terre se présente sous la forme de rayonnement électromagnétique et se situe spécifiquement dans le spectre visible et le transfert d'énergie ici se fait sans fil. Par conséquent, le concept de production d'énergie solaire est lui-même un méga système de transmission d'énergie sans fil.

Maintenant, si nous remplaçons le soleil par un générateur EMR plus petit (ou simplement une source de lumière), nous pouvons concentrer le rayonnement généré sur une charge qui se trouve à des centaines de mètres de la source de lumière. Une fois que cette lumière focalisée atteint le panneau solaire du module récepteur (ou de la charge), elle convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique, ce qui est l'objectif initial de la configuration de la transmission d'énergie sans fil.

Jusqu'à présent, nous avons discuté de techniques ou de méthodes capables de fournir de l'énergie à une charge à quelques mètres de la source. Bien que ces techniques aient une capacité de distance, elles sont encombrantes et coûteuses et ne conviennent donc pas à la conception de chargeurs mobiles. Les méthodes les plus pratiques qui peuvent être utilisées pour la conception de chargeurs sans fil sont à savoir le « type de couplage inductif» et « l'induction par résonance magnétique ». Ce sont les deux méthodes qui utilisent la loi de Faradays de l'induction électromagnétique comme principe et le flux magnétique comme phénomène de propagation pour obtenir une transmission d'énergie sans fil.

Transmission de puissance sans fil à l'aide du couplage inductif

La configuration utilisée dans le couplage inductif est très similaire à celle utilisée pour le transformateur électrique. Pour une meilleure compréhension, examinons le circuit d'application typique de la méthode de transfert de puissance sans fil à couplage inductif.

Dans le schéma fonctionnel ci-dessus, nous avons deux sections, l'une est une configuration de transmission d'énergie électrique et l'autre est la configuration du récepteur d'énergie électrique.
Les deux sections sont isolées électriquement l'une de l'autre et sont séparées par un isolant de quelques centimètres de largeur. Bien que les deux sections n'aient aucune interaction électrique, il existe néanmoins un couplage magnétique entre elles.
La source de tension alternative présente dans le module émetteur alimente l'ensemble du système.

Fonctionnement de la transmission sans fil de type à couplage inductif: Dès le début, un flux de courant dans la bobine conductrice est présent dans le module émetteur car une source de tension alternative est connectée aux bornes d'extrémité de la bobine. Et à cause de ce flux de courant, un champ magnétique doit être généré autour des conducteurs de la bobine qui est étroitement enroulée autour d'un noyau de ferrite. En raison de la présence d'un milieu, tout le flux magnétique de la bobine se concentre sur le noyau de ferrite. Ce flux se déplace le long de l'axe du noyau de ferrite et est éjecté dans l'espace libre à l'extérieur du module de transmission comme indiqué sur la figure.

Maintenant, si on rapproche le module récepteur de l'émetteur, alors le flux magnétique émis par l'émetteur coupera la bobine présente dans le module récepteur. Étant donné que le flux généré par le module émetteur varie en fonction du flux, un champ électromagnétique doit être induit dans le conducteur placé dans sa plage conformément à la loi de Faradays sur l'induction électromagnétique. Sur la base de cette théorie, un EMF doit également être induit dans la bobine réceptrice qui subit le flux magnétique généré par l'émetteur. Cette tension générée sera redressée, filtrée et régulée pour obtenir une tension CC appropriée qui est très nécessaire pour le contrôleur du système.

Dans certains cas, le noyau de ferrite est également éliminé pour rendre l'émetteur et le récepteur plus compacts et légers. Vous pouvez voir cette application dans Chargeur de téléphone portable sans fil et Paire de smartphones. Comme nous le savons tous, les industries rivalisent actuellement au coude à coude pour lancer des smartphones hautes performances et d'autres appareils plus légers, plus minces et plus froids. Les concepteurs ont littéralement des cauchemars pour réaliser ces fonctionnalités sans compromettre les performances, il est donc inacceptable de rendre l'appareil encombrant juste pour la transmission d'énergie sans fil. Ainsi, les concepteurs et l'ingénierie proposent des modules plus minces et plus légers pouvant être intégrés dans les smartphones et les tablettes.

Ici vous pouvez voir la construction interne du dernier chargeur sans fil.

Le smartphone avec la capacité d'alimentation sans fil aura également une bobine similaire pour rendre l'induction électromagnétique possible. Vous pouvez voir dans la figure ci-dessous, comment la bobine mince est fixée à l'extrémité inférieure du smartphone près de la batterie. Vous pouvez voir comment les ingénieurs ont conçu ce chargeur sans fil si fin sans compromettre ses performances. Le fonctionnement de cette configuration est similaire au cas décrit ci-dessus, sauf qu'il n'y a pas de noyau de ferrite au centre de l'enroulement.

Bien que cette façon de transmettre de l'énergie par induction électromagnétique semble facile, elle n'est pas comparable à une méthode efficace de fourniture d'énergie via le câble.

Transfert de puissance sans fil basé sur l'induction de résonance magnétique

L'induction magnétique résonnante est une forme de couplage inductif dans lequel la puissance est transférée par des champs magnétiques entre deux circuits résonants (circuits accordés), l'un dans l'émetteur et l'autre dans le récepteur. Pour cette raison, la configuration du circuit d'induction magnétique résonnante doit être très similaire au circuit de couplage inductif dont nous avons discuté précédemment.

Vous pouvez voir sur cette figure à l'exception de la présence de condensateurs en série l'ensemble du circuit est similaire au cas précédent.

Fonctionnement: Le fonctionnement de ce modèle est également très similaire au cas précédent, sauf qu'ici les circuits présents dans l'émetteur et le récepteur sont réglés pour fonctionner à la fréquence de résonance. Les condensateurs sont spécialement connectés en série avec les deux bobines pour obtenir cet effet de résonance.

Comme nous le savons tous, un condensateur en série avec une inductance formera un circuit LC en série, comme indiqué sur la figure. Et la valeur de la fréquence à laquelle ce circuit fonctionnera à la résonance peut être donnée comme suit:

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Ici L = valeur de l'inducteur et C = valeur du condensateur.

En utilisant la même formule, nous calculerons la valeur de la fréquence de résonance pour le circuit émetteur de puissance et ajusterons la fréquence de la source d'alimentation CA à cette valeur calculée.

Une fois la fréquence source ajustée, le circuit émetteur et le circuit récepteur fonctionnent à la fréquence de résonance. Après cela, une force électromagnétique doit être induite dans le circuit récepteur selon la loi de Faradays de l'induction, comme nous l'avons vu dans le cas précédent. Et cet EMF induit sera redressé, filtré et régulé pour obtenir une tension continue appropriée, comme indiqué sur la figure.

Jusqu'à présent, nous avons discuté de diverses techniques pouvant être utilisées pour la transmission d'énergie sans fil avec leurs circuits d'application typiques. Et nous utilisons ces méthodes pour développer des circuits pour tous les systèmes de transmission d'énergie sans fil tels que le chargeur sans fil, le système de charge de véhicule électrique sans fil, le transfert d'énergie sans fil pour les drones, les avions, etc.

Normes de transfert de puissance sans fil

Maintenant que chaque entreprise développe ses propres productions et bornes de recharge, il y a un besoin de normes communes entre tous les développeurs afin que le consommateur choisisse le meilleur parmi l'océan de choix. Donc, quelques normes sont suivies par toutes les industries qui travaillent au développement de systèmes de transmission d'énergie sans fil.

Diverses normes utilisées pour développer des dispositifs de transfert d'énergie sans fil comme un chargeur sans fil:

Normes 'Qi' - par Wireless Power Consortium:

Technologie - Inductive, Résonnante - Basse Fréquence
Faible puissance - 5W, moyenne puissance - 15W, appareils de cuisine sans fil Qi de 100W à 2,4kW
Gamme de fréquence - 110-205 kHz
Produits - plus de 500 produits et utilisés dans plus de 60 sociétés de téléphonie cellulaire

Normes `` PMA '' - par Power Matter Alliance:

Technologie - Inductive, Résonnante - Haute Fréquence
Puissance maximale de 3,5 W à 50 W
Gamme de fréquence - 277 - 357 kHz
Produits - seulement 2 unités de tapis de puissance, mais 1,00,000 sont distribuées dans le monde

Avantages du chargeur sans fil

Le chargeur sans fil est très utile pour charger des appareils à domicile comme un smartphone, un ordinateur portable, un iPod, un ordinateur portable, des écouteurs, etc.
Il offre un moyen pratique, sûr et efficace de transférer de l'énergie sans aucun support.
Respect de l'environnement - Ne nuit ni ne blesse un être humain ou un être vivant.
Il peut être utilisé pour charger des implants médicaux, ce qui se traduit par une amélioration de la qualité de vie et réduit le risque d'infection.
Pas besoin de s'inquiéter habituel de l'usure de la prise d'alimentation.
L'orientation du câble d'alimentation est terminée avec l'utilisation de chargeurs sans fil.

Inconvénients du chargeur sans fil

Moins d'efficacité et plus de perte de puissance.
Coûte plus que le chargeur de câble.
La réparation sur le défaut est difficile.
Ne convient pas à la fourniture de puissance élevée.
Les pertes d'énergie augmentent avec la charge.