K bezdrátovému přenosu energie v elektronice

S bezdrátovým přenosem energie se pojí celá řada výhod. Může se kupříkladu jednat o záložní řešení pro konektory a jejich kontakty, které jsou náchylné k poškození. Obvody mohou být chráněny pouzdry zamezujícími průniku vlhkosti do zařízení, a pokud jde o uživatele, ti se zase nemusí trápit s připojováním kabelů. Většina aplikací pro bezdrátový přenos energie pak spadá do oblasti přenosných zařízení a nabíjení jejich baterií.

V tomto oboru se potkáváme s několika zavedenými standardy. Máme zde však zároveň spoustu aplikací, pro které již není vyžadován žádný standard, takže lze využít individuálně optimalizovaného způsobu přenosu energie. Jeden takový návrh induktivního, bezdrátového řešení napájení sledujeme na obr. 1. Těsně vedle sebe se tak budou nacházet dvě cívky, zatímco primární indukčností zde prochází střídavý proud. Díky výslednému magnetickému poli pak může být v sekundární cívce vyvolán střídavý proud, podobně jako v případě transformátoru.

Přenosový blok se může na primární straně v podstatě skládat z jednoduchého oscilátoru a několika málo diskrétních součástek. Dokáže tak dobře pracovat s přenosy na nízkých výkonových úrovních. Za předpokladu vyšších výkonů je možné využít příslušný integrovaný obvod, např. LTC4125 [1] od společnosti Analog Devices. Transmitter se danému rezonančnímu kmitočtu velmi přesně přizpůsobí. S konkrétními součástkami lze tudíž dosahovat maximálního přenosu energie. A nejen to, obvod LTC4125 na primární indukčnosti rovněž detekuje přítomnost cizích předmětů. Pokud tedy oproti cívce například přidržíme kus kovu, vznikají v kovovém předmětu vířivé proudy. Ty pak dokážou kov i ohřívat a zvláště u vyšších výkonů mohou dokonce způsobit poranění. Za předpokladu malých výkonových úrovní by však cizí předměty zapříčinily pouze minimální ohřevy a nepředstavují tudíž významné riziko. Obvody LTC4125 každopádně umí kovové předměty zaznamenat a poté výkon omezí, příp. relaci rovnou přeruší.

Za účelem úspory energie dokáže obvod LTC4125 dodávaný výkon přizpůsobit zatěžovacím požadavkům na sekundární straně.

Názorný příklad výsledků zapojení s konkrétními součástkami zachycuje obr. 2. Na grafu sledujeme, co se stane, když dvě indukčnosti přesně stanoveným způsobem vyrovnáváme, případně též od sebe oddělujeme. U transformátoru se činitel vazby obvykle pohybuje mezi 0,95 a 1,0. V případě systémů bezdrátového přenosu energie pak již stejné činitele běžně uvažujeme od 0,8 do 0,05. Posun cívky v milimetrech je na obr. 2 zachycen na vodorovné ose. Mezeru mezi dvěma indukčnostmi pak znovu v milimetrech vidíme na svislé ose. Když tedy máme na výšku obě cívky přesně zarovnané (vychýlení cívky je nulové) a požadujeme nabíjení baterie s výkonem jeden watt, vzdálenost mezi dvěma indukčnostmi může dosahovat až 12 mm. Abychom pak dokázali pracovat s ještě většími výkony, bude úměrně tomu nezbytné obě cívky vzájemně přibližovat a stále přesněji zarovnávat. Dodávaný výkon lze přizpůsobit na základě výběru obvodových součástek. Vzájemná závislost mezi posunem indukčností a také příslušnými rozestupy však bude podobná jako v našem případě.

Pro bezdrátový přenos energie na větší vzdálenosti lze využít vysokofrekvenčního (RF) řešení. K dispozici zde máme testovací systémy pracující v pásmu ISM. Dostupný výkon a také efektivita přenosu však budou mnohem nižší, než je tomu v případě induktivní vazební metody popisované výše.