Министерство по развитию информационных технологий и связи республики узбекистан

Методы ближнего поля (безызлучательные)

На большом относительном расстоянии ближнеполевые компоненты электрического и магнитного полей приблизительно представляют собой квазистатические осциллирующие дипольные поля. Эти поля уменьшаются вместе с кубом расстояния: ( D _range / D _ant ) ^{−3 [32] [42]} Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, передаваемая мощность уменьшается как ( D _range / D _ant ) ⁻⁶ . ^{[18] [34] [43] [44]} или 60 дБ на декаду. Другими словами, если расстояние между двумя антеннами далеко друг от друга, удвоение расстояния между двумя антеннами приводит к уменьшению принимаемой мощности в 2 ⁶ = 64 раза. В результате индуктивная и емкостная связь может использоваться только для передачи мощности на короткие расстояния в пределах в несколько раз больше диаметра антенного устройства D _ant . В отличие от излучающей системы, где максимальное излучение происходит, когда дипольные антенны ориентированы поперек направления распространения, с дипольными полями максимальная связь возникает, когда диполи ориентированы продольно.

Индуктивная связь

Общая блок-схема индуктивной беспроводной системы питания
(слева) Современная индуктивная передача энергии, зарядное устройство для электрических зубных щеток. Катушка в подставке создает магнитное поле, индуцируя переменный ток в катушке зубной щетки, который выпрямляется для зарядки аккумуляторов.
(справа) Лампочка с беспроводным индукционным питанием, 1910 год.
При индуктивной связи ( электромагнитная индукция ^[24] [45] или индуктивная передача мощности , IPT) мощность передается между витками провода с помощью магнитного поля . ^[18] Катушки передатчика и приемника вместе образуют трансформатор ^[18] [24] (см. Схему) . Переменный ток (переменный ток) через катушку передатчика (L1) создает колебательное магнитное поле (В) по закону Ампера . Магнитное поле проходит через приемную катушку (L2) , где оно индуцирует переменную ЭДС ( напряжение ) по закону индукции Фарадея , которая создает переменный ток в приемнике. ^[15] [45] Индуцированное переменный ток может либо управлять нагрузкой непосредственно, либо быть устранены с постоянным током (DC) с помощью выпрямителя в приемнике, что приводит в действие нагрузку. Некоторые системы, такие как подставки для зарядки электрических зубных щеток, работают с частотой 50/60 Гц, поэтому переменный ток сети подается непосредственно на катушку передатчика, но в большинстве систем электронный генератор генерирует переменный ток более высокой частоты, который приводит в движение катушку, поскольку эффективность передачи улучшается с частотой . ^[45]
Индуктивная связь - это старейшая и наиболее широко используемая технология беспроводной передачи энергии, и до сих пор практически единственная, которая используется в коммерческих продуктах. Он используется в стойках для индукционной зарядки беспроводных устройств, используемых во влажной среде, таких как электрические зубные щетки ^[24] и бритвы, чтобы снизить риск поражения электрическим током. ^[46] Другой областью применения является «чрескожная» подзарядка биомедицинских протезных устройств, имплантированных в человеческое тело, таких как кардиостимуляторы и инсулиновые помпы , чтобы провода не проходили через кожу. ^[47] [48] Он также используется для зарядки электромобилей, таких как автомобили, а также для зарядки или питания транспортных средств, таких как автобусы и поезда. ^[24]
Тем не менее, наиболее быстрорастущим применением являются зарядные устройства для беспроводной зарядки для зарядки мобильных и портативных беспроводных устройств, таких как ноутбуки и планшеты , компьютерные мыши , мобильные телефоны , цифровые медиаплееры и контроллеры видеоигр . ^{[ необходима цитата ]} В США Федеральная комиссия по связи (FCC) провела свою первую сертификацию системы зарядки беспроводной передачи в декабре 2017 года. ^[49]

Передаваемая мощность увеличивается с увеличением частоты ^[45], а взаимная индуктивность  между катушками, ^[15] что зависит от их геометрии и расстояния между ними. Широко используемый показатель качества - коэффициент связи  . ^[45] [50] Этот безразмерный параметр равен доле магнитного потока, проходящего через катушку передатчика. который проходит через катушку приемника  когда L2 разомкнут. Если две катушки находятся на одной оси и близко друг к другу, весь магнитный поток от проходит через  ,  а эффективность связи приближается к 100%. Чем больше расстояние между катушками, тем большее магнитное поле от первой катушки пропускает вторую, и тем ниже а эффективность связи приближается к нулю на больших расстояниях. ^[45] Эффективность связи и передаваемая мощность примерно пропорциональны . ^[45] Для достижения высокой эффективности катушки должны располагаться очень близко друг к другу, составляя часть диаметра катушки. , ^[45] обычно в пределах сантиметров, ^[40] с выровненными осями катушек. Обычно используются широкие плоские катушки для увеличения сцепления. ^[45] Ферритовые сердечники, «удерживающие поток», могут ограничивать магнитные поля, улучшая связь и уменьшая помехи для ближайшей электроники, ^[45] [47], но они тяжелые и громоздкие, поэтому в небольших беспроводных устройствах часто используются катушки с воздушным сердечником.

Обычная индуктивная связь может обеспечить высокую эффективность только в том случае, если катушки расположены очень близко друг к другу, обычно рядом. В большинстве современных индуктивных систем используется резонансная индуктивная связь (описанная ниже) , в которой эффективность повышается за счет использования резонансных контуров . ^{[31] [36] [45] [51]} Это может обеспечить высокий КПД на больших расстояниях, чем нерезонансная индуктивная связь.
Прототип индукционной системы зарядки электромобиля на Токийском автосалоне 2011 года
Места для индуктивной зарядки Powermat в кофейне. Клиенты могут настроить на них свои телефоны и компьютеры для подзарядки.
Карта доступа с беспроводным питанием.
GM EV1 и Toyota RAV4 EV индуктивно заряжаются на устаревшей зарядной станции Magne

Резонансная индуктивная связь

Резонансная индуктивная связь ( электродинамическая связь , ^[24] сильно связанный магнитный резонанс ^[35] ) - это форма индуктивной связи, при которой мощность передается с помощью магнитных полей (B, зеленый) между двумя резонансными контурами (настроенными контурами), одним из которых является передатчик. и один в приемнике (см. диаграмму справа) . ^{[18] [24] [31] [46] [51]} Каждый резонансный контур состоит из катушки с проводом, подключенной к конденсатору , или саморезонансной катушки, или другого резонатора с внутренней емкостью. Оба настроены так, чтобы резонировать на одной и той же резонансной частоте . Резонанс между катушками может значительно увеличить связь и передачу мощности, аналогично тому, как вибрирующий камертон может вызвать симпатическую вибрацию в удаленной вилке, настроенной на тот же шаг.
Никола Тесла впервые обнаружил резонансную связь во время своих новаторских экспериментов по беспроводной передаче энергии на рубеже 20-го века ^{[52] [53] [54],} но возможности использования резонансной связи для увеличения дальности передачи были исследованы только недавно. ^[55] В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из Массачусетского технологического института использовала две связанные настроенные схемы, каждая из которых состояла из саморезонансной проволочной катушки длиной 25 см на частоте 10 МГц, чтобы добиться передачи мощности 60 Вт на расстояние 2 метра (6,6 ft) (в 8 раз больше диаметра катушки) при КПД около 40%. ^{[24] [35] [46] [53] [56]}
Концепция систем резонансной индуктивной связи заключается в том, что резонаторы с высокой добротностью обмениваются энергией с гораздо большей скоростью, чем теряют энергию из-за внутреннего демпфирования . ^[35] Следовательно, используя резонанс, такое же количество энергии может передаваться на большие расстояния, используя гораздо более слабые магнитные поля в периферийных областях («хвостах») ближних полей. ^[35] Резонансная индуктивная связь позволяет достичь высокого КПД в диапазоне от 4 до 10 диаметров катушки ( D _ant ). ^{[36] [37] [38]} Это называется «средний» перенос, ^[37] в отличие от «ближнего» нерезонансного индуктивного переноса, который может достичь аналогичной эффективности только тогда, когда катушки находятся рядом. Еще одно преимущество состоит в том, что резонансные цепи взаимодействуют друг с другом намного сильнее, чем с нерезонансными объектами, что потери мощности из-за поглощения в случайных соседних объектах незначительны. ^[31] [35]
Недостатком теории резонансной связи является то, что на близких расстояниях, когда два резонансных контура тесно связаны, резонансная частота системы больше не является постоянной, а «разделяется» на два резонансных пика ^{[57] [58] [59],} поэтому максимальная передача мощности больше не происходит на исходной резонансной частоте, и частота генератора должна быть настроена на новый пик резонанса. ^[36] [60]
Резонансная технология в настоящее время широко используется в современных индуктивных беспроводных системах электропитания. ^[45] Одна из возможностей, предусмотренных для этой технологии, - зона покрытия беспроводной сети. Катушка в стене или потолке комнаты может обеспечивать беспроводное питание света и мобильных устройств в любом месте комнаты с разумной эффективностью. ^[46] Экологическое и экономическое преимущество беспроводного питания небольших устройств, таких как часы, радио, музыкальные плееры и пульты дистанционного управления, заключается в том, что это может значительно сократить 6 миллиардов батарей, выбрасываемых каждый год, что является крупным источником токсичных отходов и загрязнения грунтовых вод. ^[40]

Емкостная связь

Емкостная связь, также называемая электрической связью, использует электрические поля для передачи энергии между двумя электродами ( анодом и катодом ), формируя емкость для передачи энергии. ^[61] При емкостной связи ( электростатическая индукция ), сопряженной с индуктивной связью , энергия передается электрическими полями ^{[3] [15] [4] [6]} между электродами ^[5], такими как металлические пластины. Электроды передатчика и приемника образуют конденсатор с промежуточным пространством в качестве диэлектрика . ^{[5] [15] [18] [24] [47] [62]} Переменное напряжение, генерируемое передатчиком, прикладывается к передающей пластине, и колеблющееся электрическое поле индуцирует переменный потенциал на пластине приемника за счет электростатической индукции , ^{[ 15] [62],} что вызывает протекание переменного тока в цепи нагрузки. Количество передаваемой мощности увеличивается с частотой ^[62], квадратом напряжения и емкостью между пластинами, которая пропорциональна площади меньшей пластины и (для коротких расстояний) обратно пропорциональна расстоянию. ^[15]
Емкостные беспроводные системы питания

Биполярная связь

Монополярная муфта
Емкостная связь использовалась практически только в нескольких приложениях с низким энергопотреблением, потому что очень высокие напряжения на электродах, необходимые для передачи значительной мощности, могут быть опасными ^[18] [24] и могут вызывать неприятные побочные эффекты, такие как образование вредного озона . Кроме того, в отличие от магнитных полей ^[35] электрические поля сильно взаимодействуют с большинством материалов, включая человеческое тело, из-за диэлектрической поляризации . ^[47] Материалы, находящиеся между электродами или рядом с ними, могут поглощать энергию, в случае людей, возможно, вызывая чрезмерное воздействие электромагнитного поля. ^[18] Однако емкостная связь имеет несколько преимуществ перед индуктивной связью. Поле в значительной степени ограничено между пластинами конденсатора, уменьшая помехи, которые при индуктивной связи требуют сердечников из тяжелых ферритов, «удерживающих поток». ^[15] [47] Также менее критичны требования к согласованию между передатчиком и приемником. ^{[15] [18] [62]} Емкостная связь недавно была применена для зарядки портативных устройств с батарейным питанием ^[3], а также для зарядки или непрерывной беспроводной передачи энергии в биомедицинских имплантатах, ^{[4] [5] [6]} и рассматривается как средство передачи мощности между слоями подложки в интегральных схемах. ^[63]
Были использованы два типа схем:

•