Беспроводная зарядка произвела революцию в том, как мы обеспечиваем питание наших устройств. Для студентов инженерных специальностей понимание технических тонкостей этой технологии одновременно увлекательно и необходимо. В этом блоге мы подробно рассмотрим принципы, компоненты и стандарты беспроводной зарядки.

Основные принципы

В основе беспроводной зарядки лежит концепция электромагнитной индукции и резонансной индуктивной связи. Эти принципы позволяют передавать энергию без прямого электрического контакта.

Что такое электромагнитная индукция?

Электромагнитная индукция — это процесс, при котором изменяющееся магнитное поле внутри проволочной катушки индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) на концах катушки. 

Когда передающая катушка в зарядной панели запитывается переменным током (AC), она создаёт изменяющееся во времени магнитное поле. Это магнитное поле ограничено определённой областью вокруг катушки и зависит от таких факторов, как геометрия катушки и частота тока. Когда приёмная катушка устройства помещается в это магнитное поле, изменяющийся магнитный поток индуцирует переменное напряжение на приёмной катушке. Это индуцированное напряжение может создавать ток через нагрузку, подключённую к приёмной катушке, эффективно передавая энергию беспроводным способом. Этот принцип, открытый Майклом Фарадеем, лежит в основе технологии беспроводной зарядки.

Рисунок 1: Схема электромагнитной индукции с передающей и приёмной катушками

Резонансная индуктивная связь

Резонансная индуктивная связь — это беспроводная передача электрической энергии в ближней зоне между двумя катушками, связанными магнитным полем. Обе катушки должны быть настроены на резонанс на одной и той же частоте. Энергия передаётся через магнитные поля между двумя резонансно настроенными контурами: одним в передатчике и одним в приёмнике, как показано на рисунке 2 ниже. Каждый резонансный контур состоит из катушки, подключённой к конденсатору. Для достижения повышенной связи и максимальной передачи мощности обе катушки должны быть настроены на одну и ту же резонансную частоту. Также необходим высокий добротностный показатель (Q-фактор) катушек и значительно высокий коэффициент связи.

Рисунок 2: Резонансная индуктивная связь

Если вам интересно, чем это отличается от только что обсуждённой концепции электромагнитной индукции, вот несколько ключевых различий

Электрический резонанс возникает в электрической цепи на определённой резонансной частоте, при которой мнимые части импедансов или проводимостей элементов цепи равны по величине, но противоположны по фазе, эффективно нейтрализуя друг друга. В результате цепь при резонансе проявляет чисто активное сопротивление, что часто наблюдается в LC- и RLC-цепях.

Если рассмотреть резонанс в цепи с конденсаторами и индуктивностями, он возникает главным образом потому, что коллапсирующее магнитное поле в индуктивности создаёт электрический ток в её обмотках, который заряжает конденсатор. Затем разряжающийся конденсатор создаёт электрический ток, который восстанавливает магнитное поле в индуктивности. Этот процесс непрерывно повторяется, создавая резонансную частоту по мере того, как энергия колеблется между индуктивностью и конденсатором. 

Настройка резонанса достигается путём проектирования катушек с определёнными значениями индуктивности (L) и ёмкости (C) для резонанса на определённой частоте, задаваемой формулой:

Когда катушки находятся в резонансе, передача энергии между ними максимальна.

Добротность (Q-фактор) катушки показывает, насколько хорошо индуктивность накапливает энергию. Она в основном зависит от формы и размера катушки, а также используемых материалов. Это важный параметр, за которым нужно следить, поскольку каждая катушка имеет небольшое сопротивление в дополнение к своей индуктивности. Чем ниже значение этого сопротивления (R), тем выше добротность катушки. Значения добротности обычно находятся в диапазоне от 10 до 100. Добротность ниже десяти, как правило, бесполезна. 

Добротность (Q) на рабочей частоте (ω) определяется как:

Эффективность передачи мощности в значительной степени зависит от коэффициента магнитной связи (k), который отражает, насколько эффективно магнитное поле передатчика взаимодействует с приёмником. Этот коэффициент зависит от выравнивания катушек, расстояния и ориентации. Более высокий коэффициент связи указывает на лучшую передачу энергии.

Коэффициент связи (k) — это безразмерная величина, определяющая взаимодействие между первичной и вторичной катушками любой системы беспроводной передачи энергии. Он должен находиться в диапазоне от нуля до единицы, где единица означает идеальную связь, то есть весь создаваемый поток проникает в приёмную катушку. Типичные коэффициенты связи составляют от 0,32 до 0,65. Отрицательный коэффициент связи указывает на захват магнитного потока сзади, что приводит к индукции напряжения в противофазе. Коэффициент связи определяется как: 

Подробный процесс беспроводной зарядки

Процесс беспроводной зарядки включает несколько важнейших этапов, каждый из которых имеет важные компоненты и механизмы.

Рисунок 3: Структурная схема системы беспроводной зарядки

На рисунке 3 показан процесс беспроводной зарядки аккумулятора мобильного телефона от входа зарядного устройства до выхода на мобильном телефоне. Этот процесс включает секцию беспроводного передатчика энергии и секцию беспроводного приёмника энергии.

Секция передатчика

Секция передатчика включает следующие компоненты:

1. Источник питания: обеспечивает необходимое напряжение постоянного тока.
2. Схема передатчика: преобразует напряжение постоянного тока в высокочастотное напряжение переменного тока.
3. Передающая катушка: преобразует высокочастотное напряжение переменного тока в переменное магнитное поле.

Секция приёмника 

Секция приёмника состоит из:

1. Приёмная катушка: улавливает переменное магнитное поле и преобразует его обратно в напряжение переменного тока посредством индукции.
2. Выпрямительная схема приёмника: преобразует индуцированное напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.
3. ИС стабилизатора напряжения: обеспечивает соответствие напряжения постоянного тока требованиям для зарядки аккумулятора мобильного телефона.
4. Аккумулятор мобильного телефона: конечный получатель преобразованной и стабилизированной энергии постоянного тока.

Процесс передачи энергии

Беспроводное зарядное устройство для аккумулятора мобильного телефона работает за счёт индуктивной связи, что включает несколько этапов. Сначала передающая катушка генерирует высокочастотный сигнал переменного тока, создающий переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле имеет решающее значение для передачи энергии, поскольку оно распространяется вокруг передающей катушки. Приёмная катушка, находясь в зоне действия этого магнитного поля, улавливает энергию и индуцирует переменное напряжение в своих обмотках посредством электромагнитной индукции. Это индуцированное переменное напряжение затем выпрямляется в постоянный ток выпрямительной схемой приёмника для обеспечения совместимости с электронными компонентами мобильного телефона. Впоследствии стабилизатор напряжения регулирует это напряжение постоянного тока до уровня, подходящего для аккумулятора мобильного телефона, предотвращая перезарядку и обеспечивая стабильный поток энергии. 

Наконец, отрегулированное напряжение постоянного тока заряжает аккумулятор мобильного телефона, обеспечивая бесперебойный и эффективный процесс передачи энергии, который питает устройство без необходимости в физических разъёмах. Этот процесс не только улучшает пользовательский опыт за счёт удобства, но и снижает износ зарядных портов, способствуя долговечности мобильных устройств. 

Если вам всё ещё нужна помощь в понимании этого процесса, рекомендуем ознакомиться с тем, что наши друзья из CircuitBread рассказывают о беспроводной зарядке в своём блоге: Как работает беспроводная передача энергии?. Более того, на их сайте вы найдёте несколько других обучающих материалов, посвящённых компонентам, задействованным в процессе беспроводной зарядки. 

Стандарты беспроводной зарядки

Существует несколько стандартов, регулирующих технологию беспроводной зарядки для обеспечения безопасности и совместимости. Наиболее популярные стандарты приведены ниже:

Qi (произносится "чи")

Разработанный Консорциумом беспроводной энергии (WPC), Qi является наиболее широко распространенным стандартом беспроводной зарядки. Он поддерживает как маломощную (до 30 Вт), так и мощную (до 1 киловатта) зарядку. Qi обеспечивает функциональную совместимость разных устройств и зарядных устройств, что делает его популярным выбором для смартфонов и других небольших электронных устройств.

AirFuel Alliance

AirFuel Alliance, образованный в результате слияния Alliance for Wireless Power (A4WP) и Power Matters Alliance (PMA), продвигает две технологии беспроводной зарядки: резонансную индуктивную зарядку и зарядку с использованием радиочастот (RF). Резонансная технология AirFuel обеспечивает большую пространственную свободу и одновременную зарядку нескольких устройств, в то время как зарядка по радиочастоте поддерживает зарядку на больших расстояниях.

Соображения по эффективности

Системы беспроводной зарядки должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать потери энергии и максимизировать эффективность. К ключевым факторам, влияющим на эффективность, относятся конструкция катушек, выравнивание, частота и управление теплом. Оптимизация формы, размера и материалов катушек может значительно повысить эффективность. 

Правильное выравнивание передающей и приёмной катушек обеспечивает оптимальную связь и передачу энергии. Рабочая частота влияет как на эффективность, так и на дальность беспроводной зарядки: более высокие частоты обеспечивают лучшую эффективность, но могут потребовать более точного выравнивания. Кроме того, эффективные системы беспроводной зарядки должны контролировать выделение тепла, чтобы предотвратить потери энергии и обеспечить безопасную работу.

Применение беспроводной зарядки

Мы уже знаем, что беспроводная зарядка наиболее популярна в секторе бытовой электроники. От ноутбуков до носимых устройств — беспроводная зарядка обеспечивает удобство передачи энергии без кабелей и уменьшает беспорядок из проводов, упрощая и повышая эффективность управления устройствами. Но это ещё не всё. В будущем мы сможем увидеть множество других интересных применений беспроводной зарядки.

Мы можем использовать преимущества беспроводной зарядки в зарядке электромобилей. Представьте, что вам больше не нужно выходить из машины, чтобы зарядить её: вы просто заезжаете на большую зарядную панель на обочине шоссе, и ваш автомобиль начинает заряжаться. Никакие физические разъёмы вообще не понадобятся! Даже в медицинских учреждениях беспроводная зарядка снижает риск инфицирования и обеспечивает изоляцию медицинских устройств за счёт устранения необходимости в кабелях и разъёмах. Кроме того, в промышленных условиях беспроводная передача энергии может использоваться для питания оборудования и датчиков в труднодоступных или опасных зонах, обеспечивая непрерывную работу и повышая безопасность за счёт устранения необходимости в физических соединениях.

По мере того как мы продолжаем совершенствовать технологию беспроводной зарядки, сферы её применения будут расширяться, открывая новые возможности и меняя то, как мы взаимодействуем с нашими электронными устройствами.