Технология беспроводной передачи энергии БПЭ (WPT) все чаще появляется в быту и подходит для устройств со все большей мощностью. Несколько лет назад даже создали 43-дюймовый телевизор LED, который питается по беспроводному каналу от подставки. Это признак того что исследования и разработки набирают обороты, и всё больше бытовой техники избавляется не только от сетевых шнуров, но и аккумуляторов.
Энергия для питания электросхем может передаваться через электромагнитное поле. Обычно для этой цели используется магнитная связь между двумя катушками, образующая своего рода воздушный трансформатор. Эти катушки являются компонентами двух резонансных цепей: передающей цепи в источнике питания и приемные цепи в самом устройстве. На рисунке показаны две резонансные цепи с магнитной связью для передачи энергии. Эффективность такой схемы электропитания зависит от размера и геометрии, а также от коэффициента Q и k катушек связи. На практике при диаметре более 18 см эта эффективность падает.
Беспроводное питание также возможно через электрическое поле между плоскостями, образующими воздушные конденсаторы. На рисунке показана емкостная система беспроводного питания с эквивалентной схемой, состоящая из двух плоских конденсаторов, электроды которых являются элементами источника питания и питаемого устройства. На практике емкостная система имеет неудобства, связанные с высвобождением озона и взаимодействием с веществами в полевых условиях, в том числе биологическими, но обеспечивает немного больший радиус действия.
Иллюстрация принципа беспроводной передачи энергии с использованием высокочастотного магнитного поля.
Иллюстрация принципа беспроводной передачи энергии с использованием высокочастотного электрического поля: (а) примерная схема, (б) эквивалентная схема.
Емкостный вариант нашел особенно выгодное применение для быстрой зарядки аккумуляторов дронов, как показано на рисунке. Многие инновации касаются катушек – на рынке появляются новые решения в виде многообмоточных катушек с повышенной эффективностью. Они обеспечивают больший КПД, немного увеличивают дальность действия и значительно расширяют площадь отбора мощности. Они более эффективны чем одиночные катушки, в плане покрытия одной и той же площади.
Зарядка аккумулятора дрона при зависании над наземной станцией WPT. Расстояние между прямоугольной передающей и приемной катушками коптера составляет несколько миллиметров, что обеспечивает высокий коэффициент связи.
Беспроводное питание техники
Зарядное устройство для смартфона Powermat.
Одним из наиболее полезных применений WPT является зарядное устройство для смартфона, но впечатляюще выглядит и беспроводной блок питания EPC TV. Он питает целый 43-дюймовый телевизор модели D43-D1, потребляющий 85 Вт. Он питается от переменного напряжения с коэффициентом мощности 1, поэтому практически вся потребляемая мощность используется в нагрузке. Поскольку для электроники телевизора требуется только постоянное напряжение, выпрямитель с большими электролитическими конденсаторами не нужен. Принципиальная схема этой системы показана на рисунке. Для питания передающей катушки использовался усилитель класса D с переключением дифференциального нулевого напряжения (ZVS). Дифференциальная архитектура, особенно на частотах выше 300 МГц, снижает излучение электромагнитных помех, поскольку выходное напряжение составляет примерно половину при той же мощности. В этом случае частота передачи находится в диапазоне ISM 6,78 МГц.
Схематическое решение техники БПЭ питания через обычную картонную настенную пластину телевизора HD Vizio (EPC).
Улучшение жизни с помощью WPT
WPT в дронах может быть полезна таким компаниям, как Amazon, UPS или Federal Express, в системе доставки посылок с использованием квадрокоптеров. В медицине беспроводное питание имплантатов значительно снизит риск заражения. Аккумуляторы нервных стимуляторов или спинного мозга, а также сердечные насосы можно например заряжать пока пациент спит, с расстояния около метра. Беспроводной источник питания способен устранить риск возгорания и возникновения опасных искр в разъёмах на заправочных станциях, в богатых кислородом районах или в пыльных зернохранилищах.
Вроде всё прекрасно, но единственно возникает вопрос: будет ли постоянное пребывание в поле высоких частот таким же безобидным, как в электромагнитном поле 50 Гц, в котором мы живём в домах годами? Вопрос остаётся открытым…
