- 무선 충전기에 사용되는 다양한 무선 충전 기술
- 마이크로파 무선 전력 전송
- 레이저 광 무선 전력 전송
- 유도 결합을 사용한 무선 전력 전송
- 자기 공명 유도 기반 무선 전력 전송
- 무선 전력 전송 표준
벽으로 둘러싸인 AC 전원 공급 장치이든 배터리이든 모든 전자 시스템 또는 장치는 작동하는 데 전력이 필요합니다. 이 전력은 배터리, 콘덴서 또는 슈퍼 커패시터와 같은 충전식 장치에 무한 저장 될 수 없습니다. 따라서 노트북이나 휴대폰과 같은 모든 휴대용 장치는 배터리를 정기적으로 충전하기 위해 AC 전원 선에 연결해야합니다.
일반적으로 전기 케이블은 스마트 폰, 태블릿, 이어폰, 블루투스 스피커 등과 같은 충전식 장치를 AC-DC 어댑터에 연결하는 데 사용됩니다. 전기 전도체 케이블을 사용하여 두 시스템간에 전력 또는 데이터를 전송하는 것은 전기 자체를 발견 한 이후 가장 기본적이고 널리 사용되는 방법입니다. 그리고 지금까지 사람들은 전기 케이블을 사용하여 행복했지만 기술의 발전과 인간의 안전과 아름다움에 대한 인류의 욕구는 무선 전력 전송 (WPT) 또는 무선 에너지 전송 (WET) 의 개념으로 이어지며 오랫동안 잃어버린 그림으로 이어집니다. 역사 속. 이전 기사 중 일부에서는 무선 전력 전송에 대해 자세히 설명하고 LED를 발광시키기 위해 전력을 무선으로 전송하는 회로를 구축했습니다.
WPT (Wireless Power Transfer)에 대한 최초의 상당한 실험적 응용 프로그램은 1890 년대 초 발명가 Nikola Tesla에 의해 수행되었습니다. 실험 중에 전력은 현재 Tesla 코일이라고 불리는 스파크 여기 무선 주파수 공진 변압기를 사용하여 유도 및 용량 결합에 의해 전송됩니다. 이러한 실험은 부분적으로 성공했지만 비효율적이며 많은 투자가 필요합니다. 따라서 나중에 이러한 실험은 폐기되고 기술 연구는 수년 동안 정체되었습니다. 또한 Tesla 코일의 개념을 보여주기 위해 미니 테슬라 코일을 제작했습니다.
지금도 고전력을 무선으로 전달할 수있는 효과적인 방법은 없지만 두 시스템간에 저전력을 효과적으로 전달하기위한 현재의 기술 발전으로 회로를 설계하는 것은 가능합니다. 그리고 무선 충전기는 스마트 폰 및 기타 소형 전자 장치에 무선으로 전력을 공급할 수 있도록 새롭게 개발 된 회로를 기반으로 설계되었습니다.
무선 충전기에 사용되는 다양한 무선 충전 기술
무선 전력 전송의 개념이 대중화 된 이후 과학자와 엔지니어 모두이 개념을 실현하기위한 다양한 방법을 생각해 냈습니다. 이러한 실험의 대부분이 실패하거나 비실용적 인 결과를 가져 왔지만 만족스러운 결과를 도출 한 실험은 거의 없었습니다. 무선 전력 전송을 달성하기위한 이러한 테스트 및 작동 방식에는 고유 한 장점, 단점 및 기능이 있습니다. 이러한 다양한 방법 중 무선 충전기 설계에 사용되는 방법은 몇 가지뿐입니다. 다른 방법은 자체 적용 영역과 장점이 있습니다.
이제 더 나은 이해를 위해 이러한 방법은 전송 거리, 최대 전력 및 전력 전송에 사용되는 방법에 따라 분류됩니다. 아래 그림에서 무선 전력 전송 기술 과 그 분류 를 달성하기 위해 사용되는 다양한 방법을 볼 수 있습니다.
여기,
- 첫 번째이자 가장 중요한 분류는 전력 전송이 가능한 정도에 따라 결정 됩니다. 실험 된 방법에서 일부는 먼 거리에있는 부하에 무선으로 전력을 공급할 수있는 반면 다른 일부는 소스에서 불과 몇 센티미터 떨어진 부하에만 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 첫 번째 분할은 방법이 근거리 장인지 원거리 장인지에 따라 결정됩니다.
- 거리 능력의 차이는 무선 전력 전송을 달성하기 위해 다양한 방법에서 사용되는 현상 유형에 따라 달라집니다. 예를 들어, 전력을 전달하는 방법에서 사용하는 매체가 전자기 유도 인 경우 최대 거리는 5cm를 초과 할 수 없습니다. 이는 소스와 부하 사이의 거리가 증가함에 따라 자속 손실이 기하 급수적으로 증가하여 용인 할 수없는 전력 손실로 이어지기 때문입니다. 반면에 전력을 전달하는 방법에서 사용하는 매체가 전자파 인 경우최대 거리는 몇 미터까지 올라갈 수 있습니다. 이는 EMR이 소스에서 몇 미터 떨어진 초점에 집중 될 수 있기 때문입니다. 또한 EMR을 매개체로 사용하여 전력을 전달하는 방법은 다른 방법에 비해 효율성이 높습니다.
- 위에서 언급 한 여러 방법에서 일부는 다른 것보다 더 많이 사용되며 널리 사용되는 방법은 아래에서 설명합니다.
전자파를 매체로 사용하는 무선 전력 전송 에는 두 가지 대중적인 방법 이 있습니다- 마이크로파 전력과 레이저 / 광 전력
마이크로파 무선 전력 전송
이름 자체가이 방법에서 알 수 있듯이 EMR의 마이크로파 스펙트럼을 사용하여 부하에 전력을 전달합니다. 먼저 송신기는 콘센트 또는 기타 안정적인 전원에서 전원을 끌어온 다음이 AC 전원을 필요한 수준으로 조절합니다. 그 후 전송 된 전력은이 조정 된 전원 공급 장치를 소비하여 마이크로파를 생성합니다. 마이크로파는 수신기 또는 부하에 도달하기 위해 중단없이 공기를 통해 이동합니다. 수신기에는이 마이크로파 방사를 수신하고이를 전기 에너지로 변환 할 수있는 적절한 장치가 장착됩니다. 이 변환 된 전력은 수신기에 도달하는 마이크로파 방사선의 양에 정비례하므로 마이크로파 방사선을 사용한 무선 전력 전송이 달성됩니다.
레이저 광 무선 전력 전송
전자 및 전력을 다루는 사람이라면 누구나 태양 광 발전 이라는 개념을 접했을 것 입니다. 그리고 올바르게 기억한다면 태양열 발전의 개념은 태양의 전자기 복사를 사용하여 전기를 생성하는 것입니다. 이 변환 프로세스는 태양 광 패널, 태양열 난방 또는 기타 시스템을 기반으로 할 수 있으며 태양 광 패널을 사용하여 태양열 충전기를 쉽게 구축 할 수 있습니다. 그러나 여기서 중요한 문제는 태양에 의해 지구로 전달되는 에너지가 전자기 복사의 형태이며 특히 가시 스펙트럼에 있으며 여기에서 무선으로 수행되는 에너지 전달이라는 것입니다. 따라서 태양 광 발전의 개념은 그 자체가 메가 무선 전력 전송 시스템입니다.
이제 태양을 더 작은 EMR 생성기 (또는 단순히 광원)로 대체하면 생성 된 복사를 광원에서 수백 미터 떨어진 부하에 집중할 수 있습니다. 이 집중된 빛이 수신기 모듈 (또는 부하)의 태양 광 패널에 도달하면 빛 에너지를 무선 전력 전송 설정의 원래 목표 인 전력으로 변환합니다.
지금까지 소스에서 몇 미터 떨어진 부하에 전력을 전달할 수있는 기술 또는 방법에 대해 논의했습니다. 이러한 기술에는 거리 기능이 있지만 부피가 크고 비용이 많이 들기 때문에 모바일 충전기 설계에 적합하지 않습니다. 무선 충전기 설계에 사용할 수있는 가장 실용적인 방법은 ' 유도 결합 유형' 과 ' 자기 공명 유도 '입니다. 전자 유도의 패러 데이즈 법칙을 원리로 사용하고 전파 현상으로 자속을 사용하여 무선 전력 전송을 달성하는 두 가지 방법입니다.
유도 결합을 사용한 무선 전력 전송
유도 결합에 사용되는 설정은 전기 변압기에 사용되는 설정과 매우 유사합니다. 더 나은 이해를 위해 유도 결합 무선 전력 전송 방법의 일반적인 응용 회로를 살펴 보겠습니다.
- 위의 기능 다이어그램에서 하나는 전력 전송 설정이고 다른 하나는 전력 수신기 설정입니다.
- 두 섹션은 전기적으로 서로 절연되어 있으며 몇 센티미터 너비의 절연체로 분리되어 있습니다. 두 섹션 모두 전기적 상호 작용이 없지만 여전히 두 섹션 사이에 자기 결합이 있습니다.
- 송신기 모듈에있는 AC 전압 소스는 전체 시스템에 전원을 제공합니다.
유도 결합 유형 무선 전송의 작동: AC 전압 소스가 코일의 끝 단자에 연결되어 있기 때문에 처음부터 도체 코일의 전류 흐름이 송신기 모듈에 존재합니다. 그리고 이러한 전류 흐름 때문에 페라이트 코어에 단단히 감긴 코일의 도체 주변에 자기장이 생성되어야합니다. 매질의 존재로 인해 코일의 모든 자속이 페라이트 코어에 집중됩니다. 이 플럭스는 페라이트 코어의 축을 따라 이동하고 그림과 같이 전송 모듈 외부의 여유 공간으로 방출됩니다.
이제 수신기 모듈을 송신기 근처로 가져 오면 송신기에서 방출되는 자속이 수신기 모듈에있는 코일을 절단합니다. 송신기 모듈에 의해 생성 된 플럭스는 다양한 플럭스이므로 EMF는 패러 데이즈 전자기 유도 법칙에 따라 해당 범위에있는 도체로 유도되어야합니다. 이 이론을 기반으로 EMF는 송신기에서 생성 된 자속을 경험하는 수신기 코일로 유도되어야합니다. 이 생성 된 전압은 시스템 컨트롤러에 매우 필요한 적절한 DC 전압을 얻기 위해 정류, 필터링 및 조정됩니다.
어떤 경우 에는 송신기와 수신기를 더 작고 가볍게 만들기 위해 페라이트 코어도 제거 됩니다. 이 응용 프로그램은 무선 휴대폰 충전기와 스마트 폰 쌍에서 볼 수 있습니다. 우리 모두가 알고 있듯이 현재 업계는 고성능 스마트 폰과 더 가볍고 더 얇고 더 시원한 기타 장치를 출시하기 위해 목을 맞대고 경쟁하고 있습니다. 설계자들은 성능 저하없이 이러한 기능을 달성하기 위해 문자 그대로 악몽을 꾸고 있으므로 무선 전력 전송을 위해 장치를 부피가 크게 만드는 것은 용납 할 수 없습니다. 따라서 설계자와 엔지니어링은 스마트 폰과 태블릿에 장착 할 수있는 더 얇고 가벼운 모듈을 내놓았습니다.
여기 에서 최신 무선 충전기 의 내부 구조를 볼 수 있습니다.
무선 전력 기능이있는 스마트 폰도 전자기 유도를 가능하게하는 유사한 코일을 갖게 될 것입니다. 아래 그림에서 스마트 폰 하단 배터리 근처에 슬림 코일이 어떻게 부착되어 있는지 알 수 있습니다. 엔지니어가이 무선 충전기를 성능 저하없이 슬림하게 디자인 한 방법을 확인할 수 있습니다. 이 설정의 작동은 권선 중앙에 페라이트 코어가 없다는 점을 제외하고 위에서 설명한 경우와 유사합니다.
전자기 유도를 통해 전력을 전달하는이 방법은 쉽지만 케이블을 통해 전력을 전달하는 효율적인 방법과 비교할 수 없습니다.
자기 공명 유도 기반 무선 전력 전송
자기 공명 유도 (Magnetic Resonant Induction)는 두 개의 공진 회로 (튜닝 된 회로) 사이의 자기장에 의해 전력이 송신기에 하나, 수신기에 하나가 전달되는 유도 결합의 한 형태입니다. 이 때문에 자기 공명 유도 회로의 설정은 이전에 논의한 유도 결합 회로와 매우 유사해야합니다.
이 그림에서 직렬 커패시터의 존재를 제외하고 전체 회로가 이전 사례와 유사하다는 것을 알 수 있습니다.
작동: 이 모델의 작동은 송신기와 수신기에있는 회로가 공진 주파수에서 작동하도록 조정된다는 점을 제외하고는 이전 사례와 매우 유사합니다. 커패시터는이 공진 효과를 달성하기 위해 두 코일과 직렬로 특별히 연결됩니다.
우리 모두가 알고 있듯이 인덕터와 직렬로 연결된 커패시터는 그림과 같이 직렬 LC 회로를 형성합니다. 그리고이 회로가 공진에서 작동하는 주파수의 값은 다음과 같이 주어질 수 있습니다.
F r = 1 / 2ᴫ (LC) 1/2
여기서 L = 인덕터 값이고 C = 커패시터 값입니다.
동일한 공식을 사용하여 전력 송신기 회로의 공진 주파수 값을 계산하고 AC 전원 주파수를 계산 된 값으로 조정합니다.
소스 주파수가 조정되면 수신기 회로와 함께 송신기 회로가 공진 주파수에서 작동합니다. 그 후, 이전 사례에서 논의한 패러 데이즈 유도 법칙 에 따라 수신기 회로에서 EMF를 유도해야합니다. 그리고이 유도 된 EMF는 그림과 같이 적절한 DC 전압을 얻기 위해 정류, 필터링 및 조정됩니다.
지금까지 무선 전력 전송에 사용할 수있는 다양한 기술과 일반적인 응용 회로에 대해 논의했습니다. 그리고 우리는 이러한 방법을 사용하여 무선 충전기, 무선 전기 자동차 충전 시스템, 드론, 비행기 등을위한 무선 전력 전송과 같은 모든 무선 전력 전송 시스템의 회로를 개발합니다.
무선 전력 전송 표준
이제 각 회사가 자체 생산 및 충전소를 개발함에 따라 소비자가 선택의 바다 중에서 최고를 선택할 수 있도록 모든 개발자간에 공통 표준이 필요합니다. 따라서 무선 전력 전송 시스템을 개발하는 모든 산업에서 몇 가지 표준을 따릅니다.
무선 충전기와 같은 무선 전력 전송 장치를 개발하는 데 사용되는 다양한 표준:
'Qi'표준 – Wireless Power Consortium:
- 기술-유도 성, 공진-저주파
- 저전력-5W, 중간 전력-15W, 100W ~ 2.4kW의 Qi 무선 주방 가전
- 주파수 범위-110 – 205 kHz
- 제품-500 개 이상의 제품 및 60 개 이상의 휴대폰 회사에서 사용
'PMA'표준 – Power Matter Alliance:
- 기술-유도 성, 공진-고주파
- 3.5W ~ 50W에서 최대 전원 출력
- 주파수 범위-277 – 357 kHz
- 제품 – 2 개이지만 1,00,000 개의 파워 매트 장치 만 전 세계에 배포 됨
무선 충전기의 장점
- 무선 충전기는 스마트 폰, 노트북, iPod, 노트북, 이어폰 등과 같은 가정용 기기를 충전하는 데 매우 유용합니다.
- 매체없이 전력을 전송하는 편리하고 안전하며 효과적인 방법을 제공합니다.
- 환경 친화적-인간이나 생명체를 해치거나 해치지 않습니다.
- 의료용 임플란트를 충전하는 데 사용할 수있어 삶의 질이 향상되고 감염 위험이 줄어 듭니다.
- 전원 잭의 마모에 대해 평소 걱정할 필요가 없습니다.
- 무선 충전기를 사용하면 전원 케이블 방향에 대한 뒤죽박죽이 끝났습니다.
무선 충전기의 단점
- 효율성 감소 및 전력 손실 증가.
- 케이블 충전기보다 비용이 많이 듭니다.
- 결함 수리는 어렵습니다.
- 고출력 전달에는 적합하지 않습니다.
- 에너지 손실은 부하에 따라 증가합니다.