Berbagai jenis teknologi transfer daya nirkabel dan cara kerjanya

Setiap sistem atau perangkat elektronik membutuhkan daya listrik untuk beroperasi, baik itu dari suplai AC yang berdinding atau baterai. Tenaga listrik ini tidak dapat disimpan tanpa batas di perangkat yang dapat diisi ulang seperti baterai, kondensor, atau Superkapasitor. Jadi perangkat portabel apa pun seperti laptop atau ponsel harus dihubungkan ke saluran listrik AC untuk mengisi ulang baterainya secara teratur.

Biasanya kabel listrik digunakan untuk menghubungkan perangkat yang dapat diisi ulang ini seperti smartphone, tablet, earphone, speaker Bluetooth, dll ke adaptor AC-DC. Menggunakan kabel konduktor elektronik untuk mentransfer daya atau data antara dua sistem adalah cara yang paling dasar dan populer sejak ditemukannya listrik itu sendiri. Dan orang-orang senang menggunakan kabel listrik hingga saat ini tetapi dengan kemajuan teknologi, keselamatan manusia dan rasa lapar manusia akan kesempurnaan dalam keindahan mengarah pada konsep transfer daya nirkabel (WPT) atau transmisi energi nirkabel (WET) menjadi gambaran yang sudah lama hilang. dalam sejarah. Dalam beberapa artikel kami sebelumnya, kami telah menjelaskan Transmisi daya Nirkabel secara rinci dan juga membangun sirkuit untuk mentransfer daya nirkabel untuk menyalakan LED.

Aplikasi eksperimental pertama yang cukup besar untuk transfer daya Nirkabel (WPT) dilakukan pada awal 1890-an oleh penemu Nikola Tesla. Selama percobaan, tenaga listrik ditransmisikan oleh kopling induktif dan kapasitif menggunakan transformator resonansi frekuensi radio yang bersemangat, sekarang disebut kumparan Tesla. Meskipun eksperimen ini berhasil sebagian, namun tidak efisien dan memerlukan investasi tinggi. Jadi, kemudian, eksperimen ini dibatalkan dan studi teknologi mengalami stagnasi selama bertahun-tahun. Kami juga telah membangun koil tesla mini untuk mendemonstrasikan konsep kumparan Tesla.

Meskipun sekarang tidak ada cara yang efektif untuk memberikan daya tinggi secara nirkabel, dimungkinkan untuk merancang sirkuit dengan kemajuan teknologi saat ini untuk mentransfer daya rendah antara dua sistem secara efektif. Dan pengisi daya nirkabel dirancang berdasarkan sirkuit yang baru dikembangkan ini yang memungkinkannya menyalurkan daya ke smartphone dan perangkat elektronik kecil lainnya secara nirkabel.

Berbagai Teknologi Pengisian Nirkabel yang digunakan dalam Pengisi Daya Nirkabel

Sejak konsep transfer daya nirkabel menjadi populer, baik ilmuwan maupun insinyur datang dengan berbagai cara untuk mewujudkan konsep ini. Meskipun sebagian besar eksperimen ini menyebabkan kegagalan atau hasil yang tidak praktis, hanya sedikit dari eksperimen ini yang memberikan hasil yang memuaskan. Cara-cara yang teruji dan berfungsi untuk mencapai transfer daya nirkabel ini memiliki kelebihan, kekurangan, dan fiturnya sendiri. Di antara berbagai metode ini, hanya beberapa yang digunakan dalam mendesain Pengisi Daya Nirkabel. Sedangkan metode lain memiliki area aplikasi dan kelebihannya sendiri.

Sekarang untuk pemahaman yang lebih baik, metode ini diklasifikasikan berdasarkan jarak transmisi, daya maksimum, dan metode yang digunakan untuk mencapai transmisi daya. Pada gambar di bawah ini kita dapat melihat berbagai cara yang digunakan untuk mencapai teknologi transfer daya nirkabel dan klasifikasinya.

Sini,

Klasifikasi pertama dan terpenting didasarkan pada seberapa jauh transfer daya dimungkinkan. Dalam metode percobaan, beberapa mampu memberikan daya secara nirkabel ke beban jarak jauh sementara yang lain hanya dapat mengirimkan daya ke beban hanya beberapa sentimeter dari sumbernya. Jadi pembagian pertama didasarkan pada apakah metode tersebut dari Near Field atau Far Field.
Perbedaan dalam kapabilitas jarak didasarkan pada jenis fenomena yang digunakan oleh berbagai metode untuk mencapai transfer daya nirkabel. Misalnya, jika media yang digunakan metode penyaluran daya adalah Induksi Elektro-Magnetik maka jarak maksimum tidak boleh lebih dari 5cm. Ini karena hilangnya fluks magnet meningkat secara eksponensial dengan peningkatan jarak antara sumber dan beban yang menyebabkan kerugian daya yang tidak dapat diterima. Sebaliknya, jika media yang digunakan metode penyaluran daya adalah Radiasi Elektro Magnetikmaka jarak maksimum bisa mencapai beberapa meter. Ini karena EMR dapat terkonsentrasi ke titik fokus yang berjarak beberapa meter dari sumber. Selain itu, metode yang menggunakan EMR sebagai media penyaluran daya memiliki efisiensi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan metode lainnya.
Dalam banyak cara yang disebutkan di atas, beberapa lebih populer daripada yang lain dan metode populer yang digunakan secara luas dibahas di bawah ini.

Ada dua metode populer untuk transmisi daya nirkabel yang menggunakan Radiasi Elektro Magnetik sebagai media- Daya Gelombang Mikro dan Daya Laser / Cahaya

Transfer Daya Nirkabel Microwave

Seperti namanya sendiri memberikannya dalam metode ini itu akan menggunakan spektrum gelombang mikro EMR untuk mengirimkan daya ke beban. Pertama, pemancar akan menarik daya dari stopkontak atau sumber daya stabil lainnya dan kemudian mengatur daya AC ini ke tingkat yang diperlukan. Setelah itu, daya yang ditransmisikan akan menghasilkan gelombang mikro dengan mengonsumsi catu daya yang diatur ini. Gelombang mikro berjalan melalui udara tanpa gangguan untuk mencapai penerima atau beban. Penerima akan dilengkapi dengan perangkat yang sesuai untuk menerima radiasi gelombang mikro ini dan mengubahnya menjadi energi listrik. Daya listrik yang dikonversi ini berbanding lurus dengan jumlah radiasi gelombang mikro yang mencapai penerima dan karenanya transfer daya nirkabel menggunakan radiasi gelombang mikro tercapai.

Transfer Daya Nirkabel Cahaya Laser

Setiap orang yang berurusan dengan elektronik dan tenaga listrik pasti pernah menemukan konsep yang disebut pembangkit tenaga surya. Dan jika Anda ingat dengan benar konsep pembangkit listrik tenaga surya tidak lain adalah menggunakan Radiasi Elektromagnetik matahari untuk menghasilkan listrik. Proses konversi ini dapat didasarkan pada sistem panel surya, pemanas matahari atau yang lainnya dan pengisi daya tenaga surya dapat dengan mudah dibangun menggunakan panel surya. Namun masalah utamanya di sini adalah energi yang ditransfer oleh matahari ke bumi dalam bentuk Radiasi Elektro Magnetik dan secara khusus berada dalam spektrum kasat mata dan transfer energi di sini dilakukan secara nirkabel. Oleh karena itu konsep pembangkit listrik tenaga surya itu sendiri adalah Sistem Transmisi Daya Nirkabel mega.

Sekarang, jika kita mengganti matahari dengan generator EMR yang lebih kecil (atau hanya sumber cahaya) maka kita dapat memfokuskan radiasi yang dihasilkan ke beban yang berjarak ratusan meter dari sumber cahaya. Setelah cahaya terfokus ini mencapai panel surya dari modul penerima (atau beban), ia mengubah energi cahaya menjadi tenaga listrik yang merupakan tujuan awal pengaturan transmisi daya nirkabel.

Sampai saat ini, kami membahas teknik atau metode yang mampu mengalirkan daya ke beban yang jaraknya beberapa meter dari sumbernya. Meskipun teknik ini memiliki kemampuan jarak, namun besar dan mahal sehingga tidak sesuai untuk desain Pengisi Daya Seluler. Metode paling praktis yang dapat digunakan untuk desain pengisi daya nirkabel adalah ' Jenis Kopling Induktif' dan ' Induksi Resonan Magnetik '. Ini adalah dua metode yang menggunakan Hukum Fardays Induksi Elektromagnetik sebagai prinsip dan fluks Magnetik sebagai fenomena perambatan untuk mencapai transmisi daya nirkabel.

Transmisi Daya Nirkabel menggunakan Kopling Induktif

Pengaturan yang digunakan pada kopling Induktif sangat mirip dengan yang digunakan untuk Trafo Listrik. Untuk pemahaman yang lebih baik, mari kita lihat rangkaian aplikasi khas dari metode Transfer Daya Nirkabel Kopling Induktif.

Pada diagram fungsional di atas, kita memiliki dua bagian, satu adalah pengaturan transmisi tenaga listrik, dan yang lainnya adalah pengaturan penerima tenaga listrik.
Kedua bagian diisolasi secara elektrik satu sama lain dan dipisahkan oleh isolator dengan lebar beberapa sentimeter. Meskipun kedua bagian tidak memiliki interaksi listrik, masih ada kopling magnet di antara keduanya.
Sumber tegangan AC yang ada di modul pemancar memberikan daya ke seluruh sistem.

Cara Kerja Transmisi Nirkabel tipe Kopling Induktif: Sejak awal, aliran arus pada koil konduktor terdapat pada modul Transmitter karena sumber tegangan AC dihubungkan ke terminal ujung koil. Dan karena aliran arus ini, medan magnet harus dihasilkan di sekitar konduktor kumparan yang dililitkan erat di sekitar inti ferit. Karena adanya media, semua fluks magnet koil terkonsentrasi pada inti ferit. Fluks ini bergerak di sepanjang sumbu inti ferit dan dikeluarkan ke ruang bebas di luar modul transmisi seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Nah, jika kita membawa modul penerima di dekat pemancar, maka fluks magnet yang dipancarkan oleh pemancar akan memotong kumparan yang ada di modul penerima. Karena fluks yang dihasilkan oleh modul pemancar adalah fluks yang bervariasi, maka EMF harus diinduksi ke dalam konduktor yang dibawa dalam jangkauannya sesuai dengan Hukum Induksi Elektromagnetik Far saat ini. Berdasarkan teori ini, EMF juga harus diinduksi ke dalam koil penerima yang mengalami fluks magnet yang dihasilkan oleh pemancar. Tegangan yang dihasilkan ini akan diperbaiki, disaring, dan diatur untuk mendapatkan tegangan DC yang tepat yang sangat dibutuhkan untuk pengontrol sistem.

Dalam beberapa kasus, inti ferit juga dihilangkan untuk membuat pemancar dan penerima lebih kompak dan ringan. Anda dapat melihat aplikasi ini di pengisi daya ponsel nirkabel dan pasangan Smartphone. Seperti kita ketahui, industri saat ini bersaing ketat untuk merilis smartphone berperforma tinggi dan perangkat lain yang lebih ringan, lebih ramping, dan lebih dingin. Para perancang benar-benar mengalami mimpi buruk untuk mencapai fitur-fitur ini tanpa mengorbankan kinerjanya, jadi membuat perangkat besar hanya demi transmisi daya nirkabel tidak dapat diterima. Jadi para perancang dan teknisi datang dengan modul yang lebih ramping dan ringan yang dapat dipasang ke smartphone dan tablet.

Di sini Anda dapat melihat konstruksi internal pengisi daya nirkabel terbaru.

Smartphone dengan kemampuan daya nirkabel juga akan memiliki kumparan serupa untuk memungkinkan induksi elektromagnetik. Anda dapat melihat pada gambar di bawah ini, bagaimana slim coil dipasang di ujung bawah Smartphone dekat dengan baterai. Anda dapat melihat bagaimana para insinyur merancang pengisi daya nirkabel ini begitu tipis tanpa mengorbankan kinerjanya. Cara kerja pengaturan ini mirip dengan kasus yang dibahas di atas kecuali bahwa tidak ada inti ferit di tengah belitan.

Meskipun cara mentransmisikan daya melalui Induksi Elektromagnetik ini tampaknya mudah, tetapi cara ini tidak sebanding dengan metode penyaluran daya yang efisien melalui kabel.

Transfer Daya Nirkabel berbasis Resonan Magnetik

Induksi Resonan Magnetik adalah bentuk kopling induktif di mana daya ditransfer oleh medan magnet antara dua rangkaian resonansi (rangkaian yang disetel), satu di pemancar dan satu di penerima. Oleh karena itu, pengaturan rangkaian Induksi Resonansi Magnetik harus sangat mirip dengan rangkaian Kopling Induktif yang telah kita bahas sebelumnya.

Anda dapat melihat pada gambar ini kecuali keberadaan kapasitor seri seluruh rangkaian mirip dengan kasus sebelumnya.

Cara Kerja: Cara kerja model ini juga sangat mirip dengan kasus sebelumnya kecuali di sini sirkuit yang ada di pemancar dan penerima disetel untuk beroperasi pada frekuensi resonansi. Kapasitor secara khusus dihubungkan secara seri dengan kedua kumparan untuk mencapai efek resonansi ini.

Seperti yang kita ketahui kapasitor yang di seri dengan induktor akan membentuk rangkaian LC seri seperti terlihat pada gambar. Dan nilai frekuensi di mana rangkaian ini akan beroperasi pada resonansi dapat diberikan sebagai, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Disini L = nilai Induktor dan C = Nilai Kapasitor.

Dengan menggunakan rumus yang sama kita akan menghitung nilai frekuensi resonansi untuk rangkaian pemancar daya dan menyesuaikan frekuensi sumber daya AC ke nilai yang dihitung tersebut.

Setelah frekuensi sumber diatur maka rangkaian pemancar beserta rangkaian penerima akan beroperasi pada frekuensi resonansi. Setelah ini, EMF harus diinduksi di rangkaian penerima sesuai dengan Hukum Induksi Farad seperti yang telah kita bahas pada kasus sebelumnya. Dan EMF yang diinduksi ini akan diperbaiki, disaring dan diatur untuk mendapatkan tegangan DC yang tepat seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Hingga saat ini, kami membahas berbagai teknik yang dapat digunakan untuk transmisi daya nirkabel bersama dengan rangkaian aplikasi tipikal mereka. Dan kami menggunakan metode ini untuk mengembangkan sirkuit untuk semua sistem transmisi daya nirkabel seperti pengisi daya nirkabel, sistem pengisian kendaraan listrik nirkabel, transfer daya nirkabel untuk drone, pesawat, dll.

Standar Transfer Daya Nirkabel

Sekarang dengan setiap perusahaan mengembangkan produksi dan stasiun pengisiannya sendiri, ada kebutuhan akan standar umum di antara semua pengembang untuk membuat konsumen memilih yang terbaik di antara lautan pilihan. Jadi beberapa standar diikuti oleh semua industri yang bekerja mengembangkan sistem transmisi daya nirkabel.

Berbagai standar yang digunakan untuk mengembangkan perangkat transfer daya nirkabel seperti pengisi daya nirkabel:

Standar 'Qi' - oleh Wireless Power Consortium:

Teknologi - Induktif, Resonan - Frekuensi Rendah
Daya rendah - 5W, Daya Sedang - 15W, Peralatan dapur Qi Cordless dari 100W hingga 2,4kW
Rentang frekuensi - 110 - 205 kHz
Produk - 500+ produk dan digunakan di lebih dari 60 perusahaan telepon seluler

Standar 'PMA' - oleh Power Matter Alliance:

Teknologi - Induktif, Resonan - Frekuensi Tinggi
Power Out Max dari 3,5W hingga 50W
Rentang frekuensi - 277 - 357 kHz
Produk - hanya 2 tetapi 1,00,000 unit alas listrik yang didistribusikan secara global

Keuntungan Pengisi Daya Nirkabel

Pengisi daya nirkabel sangat berguna untuk mengisi daya perangkat rumahan seperti smartphone, laptop, iPod, notebook, earphone, dll.
Ini memberikan cara yang nyaman, aman dan efektif untuk mentransfer daya tanpa media apa pun.
Ramah lingkungan - Tidak membahayakan atau melukai manusia atau makhluk hidup lainnya.
Ini dapat digunakan untuk mengisi implan medis yang menghasilkan peningkatan kualitas hidup dan mengurangi risiko infeksi.
Tidak perlu khawatir tentang keausan colokan listrik.
Meraba-raba orientasi kabel daya berakhir dengan penggunaan pengisi daya nirkabel.

Kekurangan Pengisi Daya Nirkabel

Efisiensi lebih rendah dan lebih banyak kehilangan daya.
Biayanya lebih mahal dari charger kabel.
Memperbaiki kesalahan itu sulit.
Tidak cocok untuk pengiriman daya tinggi.
Kehilangan energi meningkat dengan beban.