Creșterea numărului de dispozitive electronice de consum alimentate cu baterii reîncărcabile, cum ar fi playere media portabile, smartphone-uri și tablete a condus la o serie de încărcătoare diferite și un amestec de fire răspândite prin casă sau birou. Conceptul de încărcare fără nicio legătură directă prin fire a fost ocolit pentru un timp, dar acum câștigă rapid interes pentru a face încărcarea cu putere electrică mai flexibilă și mai ușor de utilizat. Transmiterea de putere electrică fără fire este o tehnologie în curs de dezvoltare, care asigură încărcarea bateriilor consumatorilor, eliminând cablurile, la fel cum Wi-Fi înlocuiește un cablu Ethernet pentru conectivitate la Internet. Sunt diferite tehnici disponibile și un proiectant trebuie să facă alegerea ținând cont în primul
Figura 1: Configurația de bază pentru transmiterea capacitivă a puterii electrice de la transmițătorul Tx la receptorul Rx.
Figura 2: Schema bloc a încărcătorului de baterie prin transfer capacitiv. La o suprafață a electrozilor din folie de cupru de 25mm × 25mm se pot transfera 10W, respectând cerințele EMI de nivele ale perturbațiilor.
rând de disponibilitatea componentelor electronice și de prețul lor. Transferul de energie sau putere fără fire de la o sursă de alimentare la un consumator electric, fără conductoare de legătură este util în cazurile în care firele de interconectare sunt incomode, periculoase sau imposibil de utilizat. Problema de transmisie a puterii fără fire diferă de cea a telecomunicațiilor fără fir, cum ar fi radioul, unde semnalul util și de mică putere trebuie regăsit într-un ocean de zgomot electric. Trebuie asigurată eficiența mare a transmiterii energiei la nivele necesare, încadrarea în cerințele de perturbații EMI și flexibilitatea poziționării receptorului de energie față de transmițător, pentru a face sistemul economic.
Metode de transmitere a puterii electrice
Un curent electric care curge printr-un material conductor poartă energie electrică. Atunci când un curent electric trece printr-un conductor, va exista un câmp electric în dielectricul din jurul conductorului. Fluxul de energie are componente pe trei direcţii principale:
1. Câmp magnetic, concentric cu conductorul.
2. Câmp electric, perpendicular pe suprafața conductorului.
3. Gradient de putere, paralel cu conductorul.
Pornind de la această distribuție spațială a energiei s-au imaginat 4 metode de transmitere a puterii electrice la un consumator.
1. Cuplare capacitivă. Transmiterea puterii se face prin cuplarea capacitivă a doi electrozi situați în plane relativ paralele.
2. Inducție electromagnetică. Transmiterea puterii se face prin curent indus de un câmp magnetic între două bobine apropiate.
3. Rezonanță magnetică. Transmiterea puterii prin spațiu se face folosind fenomenul de rezonanță magnetică bazat pe același principiu ca inducția electromagnetică. Rezonanța se realizează între două bobine dacă câmpul electromagnetic din jurul lor oscilează la aceeași frecvență. Cât timp cele două bobine sunt în rezonanță, se realizează transferul de putere dintre ele.
4. Unde radio. Transmiterea puterii se face prin unde radio ce sunt recepționate de o antenă. Se folosesc microunde generate de emițătoare terestre ce vor fi apoi preluate de către un anumit aparat, cu ajutorul unei antene de redresare care convertește microundele direct în curent.
Metodele de transfer a puterii fără fire bazate pe componente existente pe piață
A. Metoda capacitivă este o abordare alternativă la transmiterea puterii prin câmp magnetic, fiind aplicarea prin analogie a teoriei lui Maxwell la un câmp electric, prin utilizarea unei configurații cu un condensator. Acest concept, ce folosește un câmp electric cvasistatic pentru a transfera energia printr-un condensator format din electrozi care aparțin la dispozitive separate fizic, este adoptat de Murata Electronics Europe – www.murata.eu și se introduce acum pe scară largă în modele noi. Aducerea dispozitivelor într-o poziție ce formează un condensator poate fi utilizată pentru a transfera energie.
Deoarece există o mare varietate de baterii utilizate în dispozitivele portabile, o standardizare a interfeței bateriei ar reprezenta un mare pas înainte spre un design foarte ușor și de asemenea, va trebui să se satisfacă o cerință mai dificilă, cum ar fi încărcarea rapidă. În plus, datorită utilizatorilor și în mare parte presiunii continue din partea Comisiei Europene, micro-interfața USB 5V de încărcare va deveni un standard pentru toate telefoanele mobile din Europa.
Unul din principalele avantaje ale utilizării metodei de transfer electrostatic față de metoda inductivă este faptul că plasarea dispozitivului ce trebuie perceput pe baza de încărcare este mult mai puțin critică. Eficiența ridicată a transferului de energie, aproximativ 80% pentru orice design (uzual, chiar mai mare pentru încărcătoare cu fire), se menține datorită marii toleranțe de poziționare prin design în zona XY (pe suprafață), în timp ce Z (înălțimea) rămâne un parametru de rezolvat prin proiectare.
O arie pătrată sau dreptunghiulară relativ orizontală permite amplasarea dispozitivului de încărcare, cu orice orientare, mai comod decât un stand de andocare verticală cu o poziționare precisă. În plus, deoarece electrodul activ principal este un simplu film subțire de cupru, de câțiva microni grosime încorporat în materiale plastice, este mult mai ușor să se includă în carcasa dispozitivului consumator, decât un dispozitiv inductor de putere.
Disiparea de căldură în apropiere de baterii poate fi un considerent serios pentru abordarea inductivă. Deoarece câmpul electric ca un transportator de energie în configurația de cuplaj capacitiv nu are un flux mare de curent, nu apare problema eliminării căldurii din zona de cuplare. Toate pierderile de putere rezistive sunt concentrate în module electronice ale transmițătorului, dar nu în zona de cuplare.
B. Metoda inductivă este deja utilizată într-o serie de dispozitive de consum (cum ar fi periuța de dinți electrică) fiind bazată pe teoria lui Maxwell: Variația într-un câmp magnetic de la o bobină induce un curent într-o altă bobină cuplată. Se urmăresc, în principal, eficiența cât mai mare a transmiterii de putere și flexibilitatea în poziționarea bobinei de cuplare, fără a fi necesară o aliniere strictă a două bobine. (Orice diferență mică de aliniere a bobinelor, poate duce la pierderea completă a capabilității de a transfera puterea). Principala preocupare la abordarea inductivă este controlul interferențelor EMI generate de semnalul de transmitere de energie, folosind un câmp inductiv. Dispozitivul receptor transformă energia magnetică în energie electrică, pentru a încărca bateria. WiFi, Bluetooth, NFC, sisteme celulare, radio FM sunt doar cateva aparate având conectivitate wireless care ar putea suferi interferențe de la astfel de câmpuri electromagnetice. Există și constrângerea modului de disipare a căldurii datorată pierderilor. Cu încărcătoare de putere mai mare, crește nivelul pierderilor de căldură, iar bateriile Li-Ion sunt extrem de sensibile la temperatură și, nedorit, s-ar putea introduce un stres termic pentru componente electronice ce sunt extrem de compacte.
Texas Instruments oferă circuite integrate avansate pentru emițător și receptor, instrumente și resurse de proiectare fac o realitate din alimentarea fără fir folosind metoda inductivă. TI are soluții deja aplicate, care acceptă dispozitive compatibile
Qi
și va extinde portofoliul său de a sprijini viitoarele tehnologii viabile.
Ca furnizor de circuite integrate de management al puterii, inclusiv management al bateriei și tehnologii pentru surse alimentare, TI se bazează pe expertiză în domeniul alimentării cu putere electrică pentru a aduce inovații în încărcarea fără fir.
Notă. Wireless Power Consortium stabilește standardul internațional pentru încărcare fără fir interoperabilă. Produse interoperabile pot fi recunoscute după logo-ul “Qi”.
Portofoliul de componente TI pentru aplicații wireless power
Transmițătoare TI, cicuitele bq500410A, bq500211, bq500210
Cea mai largă gamă de sprijin pentru diferite tipuri de bobine:
• A1, A5, A6, A10, A11 la tensiuni 5V, 12V, 19V
• Bobină unică sau arii de bobine
• Circuitele TI din a doua generație reduc costul prin integrarea demodulării
Intrare 5V cu soluție patentată Dynamic Power Limit™
• Sprijină tipurile de transmițător 5V, A5, A11 și WPC (bq500211)
• Asigură funcționare robustă alimentat de la port USB
Inovare continuă având suport WPC1.1
• Arie mărită a bobinei (bq500410A)
• Sprijină o bobină sau multiple
• Dimensiuni mici pentru emițătoare
Receptoare TI, circuitele bq51013/A, bq51014, bq51011, bq51050/51
Primele și cele mai mici receptoare din industrie
• Receptor monolitic IC cu încărcător Li-Ion inclus
• Eficiența conversiei AC/DC 93%
• WPC1.1 ready (Detectarea Obiectelor Externe) la receptoare 1.0 și 1.1, pentru semnalizarea și evitarea obiectelor metalice străine, parazite, în zona de încărcare.
Soluție de sistem patentat
• Limitare de curent adaptivă pe durata tranzițiilor, pentru comunicații robuste
• Scalarea dinamică și optimizată a eficienței puterii într-o gamă largă de putere
• Control dinamic al redresării pentru îmbunătățirea de performanță la sarcină tranzitorie
Arhitectura robustă și flexibilă
• Toleranță la intrare maxim 20V cu circuit patentat OVP
• Detectare automată a tipului de adaptor de încărcare (prin cablu sau fără fir)
• Opțiuni de încărcător 5V, 7V și baterie Li-ion
Pentru a descărca documentații sau pentru a evalua tehnologia TI wireless power, vizitați: www.ti.com/wirelesspower
ECAS
ELECTRO este distribuitor al produselor Texas Instruments [ www.ti.com ]
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro