Анализ современных систем беспроводного питания и проблемы их использования в использования в телекоммуникационных системах

УДК 621.3.052

Введение.
Беспроводные технологии постепенно закрепляются в жизни современного человека. Новые стандарты сотовой связи, беспроводные зарядки телефонов, Wi-Fi в каждом доме, корпоративные беспроводные сети. В недалеком будущем в широкие массы войдет беспроводное питание телекоммуникационных систем, бытовой техники, систем безопасности. В связи со стремительным распространением безпроводных технологий необходимо уделить внимание проблеме эксплуатации этих систем в телекоммуникационных системах и устройствах.

Актуальность.
В ближайшее десятилетие с развитием технологий сфера применения беспроводных зарядных устройств не будет ограничиваться зарядкой аккумуляторов высокотехнологичных гаджетов. Возможная область их применения значительно шире. Кроме потребительского рынка электроники, беспроводные зарядные устройства могут успешно использоваться в сегменте медицинских приборов, сетях беспроводных датчиков, автотранспортных средствах, светотехническом оборудовании и тому подобное.

Научная новизна.
Проведенный в работе анализ технологии безпроводного электропитания позволяет оценить реальнве возможности системы и увелить эфективность взаимодействия с телекомуникационными устройствами.

Целью исследования является изучение технологии беспроводной передачи энергии, анализ основных стандартов этой технологии, а также возможности использования технологии беспроводной передачи энергии в телекомуникационных системах.

Задачами исследования является:

• анализ современного состояния исследуемой проблемы;
• анализ работы различных методов беспроводного электроснабжения с целью выявления недостатков;
• исследования возможных проблем и их влияния на работу системы.

Виды систем беспроводного электропитания

На сегодня существует несколько способов беспроводной передачи энергии. Qi - стандарт, разработанный Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium , WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см. Аппаратура Qi включает в себя пластину передатчика и совместимый приемник в подключаемом устройстве. При использовании подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. Зарядка происходит с помощью индукционной передачи энергии. Производителями, которые используют этот стандарт в некоторых своих устройствах, являются: Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony, Yota Devices.

Индуктивный способ электропитания использует электромагнитное поле для передачи энергии между двумя объектами. Это, как правило, обеспечивает зарядная станция. Энергия передается через индуктивную связь с электрическим устройством, которое может затем использовать эту энергию для подзарядки батарей или запуска устройства. Индукционные зарядные устройства используют индукционную катушку для создания переменного электромагнитного поля вблизи зарядного устройства, а вторая индукционная катушка в портативном устройстве питается от электромагнитного поля и превращает его в электрический ток для зарядки аккумулятора. Две индукционные катушки формируют электрический трансформатор. Большие расстояния между передающей и приемной катушкой могут достигаться, когда индуктивная система подзарядки использует резонансный трансформатор.

Power Matters Alliance (PMA) - организация, основанная, чтобы создать систему для беспроводных технологий электропитания, в том числе для подзарядки устройств, которые оснащены аккумуляторами. Хотя PMA использует аналогичный стандарта Qi физический принцип подзарядки - электромагнитную индукцию, отличия все же есть. Заключаются они в частоте работы, которая для PMA составляет 277-357 кГц. На данный момент PMA достаточно сильно проигрывает Qi в популярности.

The Alliance for Wireless Power [3] (A4WP) - организация, основанная для создания глобальной экосистемы беспроводной подзарядки по технологии Rezence ™. Принцип этой технологии базируется на эффекте магнитного резонанса. Именно это позволяет существенно расширить область подзарядки от одной базовой станции, а также заряжать сразу несколько устройств. Передаваемая мощность может достигать 50 Вт, чего может быть вполне достаточно для ноутбука.

Табл. 1. Сравнение основных стандартов безпроводного электропитания

Из таблицы 1 видно, что технология Rezence (A4WP) имеет некоторые преимущества по сравнению с другими: это и большая мощность, и большая дальность действия, и более удобное использование. Однако большую популярность приобретает именно стандарт Qi из-за сильной поддержки крупных компаний. Однако, в связи со стремительным развитием технологии беспроводного электропитания, точно нельзя сказать какая из технологий станет основной через несколько лет. 

Компьютерное моделирование катушки индуктивной системы электропитания. 

Для компьютерного моделирований было выбрано программное обеспечение ELCUT учитывая сильные стороны и преимущества этого продукта, в том числе: быстрая обработка данных, простой и удобный интерфейс, бесплатное распространение (студенческая версия), большой набор инстрментов для обработки результатов расчета.

В качестве объекта моделирования за основу выбрана передающая катушка стандарта Qi (WPC). Одним из важнейших параметров поля для анализа является напряженность поля Н. Значение силы тока, протекающего в катушке диаметром 1 мм, составляет 1А. Частота работы тока установлена 150 кГц.

Рис.1 – Графическое представление напряженности поля плоской экранированной катушки з 5 витками

Проанализировав изображение поля на рисунке 1 можно увидеть, что на расстоянии до 4 мм от катушки показатели напряженности поля превышают допустимое значение 50 А / м. На расстоянии от 4 мм значения напряженности полностью соответствует нормам предельно допустимых значений.

Наиболее эффективной расстоянием для беспроводного подзарядки можно считать до 5 мм от поверхности передающей катушки. Учитывая, что передающая катушка начинает генерировать поле только при детектировании принимающей катушки (часто встроенной в электротехническое устройство), то зону у катушки, где значения напряженности превышает допустимое, можно считать условно безопасной, ведь прямого контакта с телом человека не происходит.

Основным путем усовершенствования беспроводных зарядных устройств является увеличение мощности передающей станции, однако в таком случае показатели поля катушки будут превышать предельно допустимыми показатели электромагнитных полей и могут представлять опасность для людей и создавать проблемы в работе телекомукационного оборудования.

Выводы. 

Сегодня существует три основные технологии беспроводного электропитания: Qi, Rezence и PMA. Наиболее распространенной является Qi (использует индукционный способ передачи энергии), наиболее перспективной - Rezence (использует технологию магнитного резонанса и работает на большей частоте и с большей мощностью).

Использование устройств беспроводной электропитания в телекоммуникационных системах является перспективным, однако вопрос увеличения мощности и безопасности эксплуатации требуют дальнейшего исследования, а сами системы - совершенствования.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий