Trådlös kraftöverföring eller trådlös elektricitet är ett hett och relativt nytt ämne inom elektronikindustrin.
Den trådlösa kraftindustrin förväntas växa exponentiellt. Trådlös el har en stor inverkan på nästan alla områden eftersom det gör det möjligt för Internet of Things att utvecklas snabbare.
Vad är trådlös elöverföring?
Låt oss först och främst definiera vad trådlös kraftöverföring är och hur det fungerar.
Som du kanske har gissat är trådlös elektricitet överföring av elektrisk energi från en strömkälla till en elektrisk enhet utan användning av sladd/kabel. Eftersom trådlös laddning är ett så utbrett behov bland både konsumenter och företag, förbättras tekniken ständigt och blir vanligare i branscher över hela linjen.
Så hur fungerar trådlös ström? I grund och botten använder den ett grundläggande koncept som de flesta ingenjörer är mycket bekanta med: Faradays induktionslag. Denna lag säger att ett förändrat magnetfält orsakar en växelström.
Det finns två spolar inblandade i trådlös kraftöverföring: en mottagare och en sändare. Dessa spolar fungerar mer eller mindre som induktorer. Du kan tänka på dem som en transformator utan kärna; i huvudsak är de bara två luftspolar som är induktivt kopplade.
Fördelar med trådlös elektricitet
Det finns flera viktiga fördelar med trådlös kraftöverföring.
För det första låter trådlös ström dig helt försegla din enhet. Oavsett om du vill bli av med en strömport, ta bort något du inte vill ha i systemet, eller utveckla din produkt från vattentät till vattentät, kan trådlös ström vara din perfekta lösning.
Vidare innebär trådlös ström mindre sladdtrassel. Eftersom varje mobil enhet vanligtvis kräver sin egen laddningssladd, snubblar många av oss ständigt över (eller söker efter) laddare i våra hem. Trådlös ström eliminerar dessa problem genom att tillhandahålla en universell, sladdlös strömlösning för alla dessa enheter.
En annan viktig fördel med trådlös elektricitet är det mycket utvidgbara effektområdet det erbjuder. Inte längre bara en lågeffektslösning, trådlös kraft erbjuder en mängd verkliga applikationer med allt från 0 till över 200W kraftöverföring. Effektiviteten är alltså mycket hög.
Den sista stora fördelen med trådlös kraft är ökad produktlivslängd. Genom att eliminera de fysiska begränsningarna för kontakter (som parningscykler, korrosion på kontaktpunkter och liknande), erbjuder trådlös kraft en mer robust produkt för designtillverkare.
Trådlös kraftöverföring kan användas för att ladda ett batteri för elektrisk lagring eller för direkt drift. Trådlös överföring kan vanligtvis använda elektromagnetiska fältkopplingseffekter, inklusive induktiv koppling och resonanskoppling. I stora drag är all radiovågsutbredning en sorts energiöverföring. Skillnaden ligger i den högre effektiviteten och kraften hos trådlös överföring.
Den trådlösa sändaren kan säkert leverera ström till mottagaren inbäddad i nästan vilken enhet som helst, på samma sätt som Wi-Fi skickar data. Enheter som IoT-sensorer, temporära trackers, smartphones, spelkontroller, smarta klockor etc. kan utrustas med mottagare och skickar signaler till sändaren som säkert kan ta emot ström på avstånd.
Vad är överföringsprincipen för trådlös el?
Kontaktladdningsteknik:
Med hjälp av principen om elektromagnetisk induktion används denna beröringsfria laddningsteknik i allt större utsträckning i många bärbara terminaler. I denna typ är två spolar placerade i angränsande positioner, och när ström flyter i en spole blir det genererade magnetiska flödet ett medium, vilket gör att en elektromotorisk kraft genereras även i den andra spolen.
Teknik för överföring av mikrovågsenergi:
Mikrovågsenergiöverföring tillämpar principen att elektromagnetisk vågenergi kan skickas och tas emot genom en antenn. Mikrovågsenergiöverföring är att fokusera mikrovågorna och avge dem i en kontrollerad riktning. I den mottagande änden omvandlas den mottagna mikrovågsenergin till likström genom en rektenn (likriktarantenn).
Resonansteknik:
Resonansmetoden som använder elektromagnetiska fält används i stor utsträckning inom det elektroniska fältet. Strömförsörjningstekniken använder dock inte elektromagnetiska vågor eller strömmar, utan använder endast elektriska fält eller magnetiska fält.
Utvecklingstrender för trådlös elektricitet inkluderar en mängd framsteg som gjorts av flera olika industrier. För bara några år sedan var trådlös eketricitet något som många trodde var helt omöjligt men idag blir det allt vanligare i en mängd olika produkter.
Många trådlösa elektricitettillämpningar förbättrar redan effektivitet, säkerhet och bekvämlighet.
Tillämpning av trådlös elektricitet
Hur kommer trådlös ström att förändra logistiken?
Med myndighetsgodkännande har den trådlösa kraftindustrin börjat ge företagen nya valmöjligheter. Till exempel använder spårningssystemet för lastbilstrailer trådlös strömförsörjningsteknik för att effektivt hjälpa världens största återförsäljare att spara pengar och förbättra säkerheten i livliga distributionscenter.
Det finns oändliga applikationer för transport och logistik, detaljhandel och nästan alla företag eller konsumenter. Sensorer som kan spåra platsen för pallar eller containrar över långa avstånd utan manuellt ingripande kommer att medföra förändringar i globala leveranskedjor.
Sensorer kan inte bara spåra plats utan också ge information om förhållanden (som temperatur och luftfuktighet) och hantering (som om en vara har fallit). Detta kan drastiskt förändra distributionen av ömtåliga föremål. När förhållandena ändras och föremål måste flyttas kan sensorer varna lager- eller detaljhandelspersonal utan den elektriska infrastruktur som krävs av trådbundna sensorer.
Hur kommer trådlös kraft att förändra vården?
Trådlös kraft kan också förvandla sjukvården och befria patienter från de kablar som för närvarande behöver driva många enheter som samlar in kritisk hälsodata och varnar vårdgivare när vitala tecken förändras.
Att använda trådlöst drivna enheter kan förbättra patientens efterlevnad genom att eliminera skrymmande batterier och låta patienterna bära enheten var som helst.
I vårdtillämpningar kan trådlösa strömförsörjningar som stöder dataöverföring i realtid göra det möjligt för vårdteam och/eller sjukhussystem att analysera information omedelbart, och kan även upprätta ett larmsystem. När en patients vitala tecken förändras och omedelbara åtgärder krävs, skickas meddelanden automatiskt till patienter, anställda, familjemedlemmar och akutpersonal.
Hur kommer trådlös kraft att förändra konsumentsektorn?
En trådlös strömförsörjning har potential att lindra många konsumentproblem. När det gäller mobiltelefoner kan batterier vara inkapslade, så de behöver ingen sladd för laddning. I framtiden kommer konsumenter också att kunna driva sina smarta hem och personliga prylar genom trådlös kraftöverföring.
Trådlösa kameror inomhus, enheter för visning av luftkvalitet och temperatur, smarta spårare i hemmet kan alla laddas automatiskt. Smarta klockor kan bäras som inte behöver tas av för att ladda, vilket gör att människor kan samla in data om sådant som sömnvanor och träningsaktiviteter.
En annan potentiell användning är i spelindustrin. Spelkontroller som kan drivas utan sladdar och tunga batterier kan tillåta spelutvecklare att fokusera på att förbättra upplevelsen och anpassa sig till spelarens handlingar. Det finns för närvarande nästan 3 miljarder spelare i världen, och detta antal växer fortfarande, så detta är en enorm marknad som kan acceptera trådlös kraft för att driva innovation.
Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-teknik är också en vara som drar nytta av trådlös kraft. Oavsett om det är för hementusiaster som vill hålla drönare drivna under flygningen, eller använda drönare i kommersiella miljöer (som lager), kommer att eliminera tunga batterier att möjliggöra miniatyrisering av drönare och förlänga avståndet som de kan flyga. Utvecklingen av trådlös kraftteknik förväntas lösa många funktionella problem.
Trådlös elektricitet
I närfälts trådlös kraftöverföring överförs kraft över korta avstånd av magnetiska fält genom induktiv koppling (elektromagnetisk induktion) mellan trådspolar, eller av elektriska fält genom kapacitiv koppling (elektrostatisk induktion) mellan metallelektroder. Det första steget är i princip en växelriktare, som omvandlar likström till växelström vid lämplig frekvens.
Efter växelriktaren finns ett impedansmatchande nätverk som justerar impedansen som ses av sändningsspolen efter belastningen.
Nästa steg består av sändnings- och mottagningsspolarna, koppling för att generera magnetfältet och fånga upp det. Ett andra impedansmatchningsnätverk säkerställer att lasten ser lämplig impedans. Slutligen omvandlar en likriktare växelströmmen till en stabil likström genom en spänningsregulator.
Induktiv koppling är den mest använda trådlösa tekniken; dess applikationer inkluderar laddning av handhållna enheter som telefoner och smarta klockor, radiofrekvensidentifieringsetiketter, induktionsmatlagning, elektriska fordon och kontinuerlig trådlös kraftöverföring i implanterade medicinska apparater som konstgjorda pacemakers.
Vid trådlös kraftöverföring i fjärran fält överförs kraften av strålar av elektromagnetisk strålning (power beaming), såsom mikrovågor eller laserstrålar. Energin är strålande, vilket innebär att den lämnar antennen oavsett om det finns en mottagare som absorberar den eller inte.
Den del av energin som inte träffar mottagningsantennen försvinner och går förlorad till systemet. Därför kan dessa tekniker transportera energi över längre sträckor men måste vara tillräckligt effektiva för att en betydande mängd energi ska kunna riktas mot mottagaren. Detta är ett utvecklingsområde för forskning inom kraftöverföring och förväntas bana väg för att tillhandahålla kraft till alla hörn av världen. Andra föreslagna tillämpningar av fjärrfältstekniker är solenergisatelliter och trådlöst drivna drönarflygplan.
Trådlös överföring av elektricitet kan eliminera användningen av material som är benägna att skadas och korrosion såsom kablar och batterier, vilket ökar rörligheten, bekvämligheten och säkerheten för en elektronisk enhet för alla användare.
WPT-teknik är särskilt användbar för att driva elektriska enheter där sammankopplingsledningar är obekväma, farliga eller är fysiskt omöjliga. Eliminering av kablar och sladdar ger plats för kompakta och vattentäta anordningar, vilket optimerar säkerheten och mångfalden av användning som till exempel i djuphavsapplikationer.
En viktig säkerhetsfråga i samband med trådlösa kraftsystem är att begränsa exponeringen av människor och andra levande varelser för potentiellt farliga elektromagnetiska fält. Trots potentiella risker för elektromagnetisk säkerhet eller cybersäkerhet är WPT-tekniken bekväm, flexibel och kan fungera helt automatiserat.
Det förväntas fortsätta att utvecklas för mer banbrytande applikationer samtidigt som vi fortsätter att förstå dess potentiella sårbarheter. En sak är säker, trådlös elektricitetsteknik kommer att bli vanligare och vanligare i våra liv och produkterna vi använder. Utvecklingen går i en extremt snabb fart.
