Como funciona a transferência de energia sem fio

A transferência de energia sem fio é um processo no qual a energia elétrica é transferida de um sistema para outro através de ondas eletromagnéticas, sem o uso de fios ou qualquer contato físico.

Neste post, discutiremos como funciona a transferência de energia sem fio ou a transferência de eletricidade pelo ar sem o uso de fios.

Você já pode ter encontrado essa tecnologia e pode ter passado por muitos teorias relacionadas na internet.

Embora a Internet possa estar cheia de tais artigos explicando o conceito com exemplos e vídeos, o leitor geralmente falha em entender o princípio básico que rege a tecnologia e suas perspectivas futuras.

Como funciona a transferência de eletricidade sem fio

Neste artigo, tentaremos ter uma ideia geral de como ocorre ou funciona uma transferência de eletricidade sem fio ou como ocorre a condução e por que essa ideia é tão difícil de implementar em grandes distâncias.

O exemplo mais comum e clássico de transferência de energia sem fio é a nossa antiga tecnologia de rádio e TV que funciona enviando ondas elétricas (RF) de um ponto a outro sem cabos, para a transferência de dados pretendida.

A dificuldade

No entanto, a desvantagem dessa tecnologia é que ela é incapaz de transferir as ondas com alta corrente, de modo que a potência transmitida se torna significativa e utilizável no lado receptor para conduzir uma carga elétrica potencial.

Esse problema se torna difícil, pois a resistência do ar pode estar na faixa de milhões de megawhms e, portanto, extremamente difícil de cortar.

Outro incômodo que torna a transferência de longa distância ainda mais difícil é focar a viabilidade da energia até o destino.

Se a corrente transmitida se dispersar em um ângulo amplo, o receptor de destino pode não ser capaz de receber a potência enviada e pode adquirir apenas uma fração dela, tornando a operação extremamente ineficiente.

No entanto, transferir eletricidade em curtas distâncias sem fios parece muito mais fácil e foi implementado com sucesso por muitos, simplesmente porque para distâncias curtas as restrições discutidas acima nunca se tornaram um problema.

Para uma transferência de energia sem fio de curta distância, a resistência do ar encontrada é muito menor, dentro de uma faixa de alguns 1000 meg ohm (ou ainda menor dependendo do nível de proximidade), e a transferência se torna viável de forma bastante eficiente com a incorporação de alta corrente e alta frequência.

Aquisição de faixa ótima

Para adquirir uma eficiência ótima de distância até a corrente, a frequência de transmissão se torna o parâmetro mais importante na operação.

Freqüências mais altas permitem que distâncias maiores sejam cobertas de forma mais eficaz e, portanto, este é um elemento que precisa ser seguido durante o desenvolvimento de um aparelho de transferência de energia sem fio.

Outro parâmetro que facilita a transferência é o nível de tensão, tensões mais altas permitem envolver corrente mais baixa e manter o dispositivo compacto.

Agora, vamos tentar entender o conceito por meio de uma configuração de circuito simples:

A configuração do circuito

Lista de Peças

R1 = 10 ohm
L1 = 9-0-9 voltas, ou seja, 18 voltas com uma torneira central usando um fio de cobre superesmaltado 30 SWG.
L2 = 18 voltas usando fio de cobre superesmaltado 30 SWG.
T1 = 2N2222
D1 ---- D4 = 1N4007
C1 = 100uF / 25V
3V = 2 células AAA 1.5V em série

A imagem acima mostra um circuito direto de transferência de energia sem fio que consiste no estágio do transmissor à esquerda e do receptor no lado direito do design.

Ambos os estágios podem ser vistos separados com uma lacuna de ar significativa para o deslocamento pretendido de eletricidade.

Como funciona

O estágio do transmissor de potência se parece com um circuito oscilador feito através de um circuito de rede de feedback através de um transistor NPN e um indutor.

Sim, isso mesmo, o transmissor é, de fato, um estágio oscilador que funciona de maneira push-pull para induzir uma corrente pulsante de alta frequência na bobina associada (L1).

A corrente de alta frequência induzida desenvolve uma quantidade correspondente de ondas eletromagnéticas em torno da bobina.

Estando em uma alta frequência, este campo eletromagnético é capaz de se separar através do entreferro ao seu redor e alcançar uma distância permitida dependendo de sua classificação atual.

O estágio receptor pode ser visto consistindo apenas em um indutor complementar L2 bastante semelhante a L1, que tem o único papel de aceitar as ondas eletromagnéticas transmitidas e convertê-las de volta a uma diferença de potencial ou eletricidade embora em um nível de potência inferior devido à transmissão envolvida perdas pelo ar.

As ondas eletromagnéticas geradas a partir de L1 são irradiadas ao redor, e L2 estando em algum lugar na linha é atingido por essas ondas EM. Quando isso acontece, os elétrons dentro dos fios L2 são forçados a oscilar na mesma taxa que as ondas EM, o que finalmente resulta em uma eletricidade induzida em L2 também.

A eletricidade é retificada e filtrada apropriadamente pelo retificador de ponte conectado e C1 constituindo uma saída DC equivalente através dos terminais de saída mostrados.

Na verdade, se observarmos cuidadosamente o princípio de funcionamento da transferência de energia sem fio, descobriremos que não é nada novo, mas nossa tecnologia de transformador antiquíssima que normalmente usamos em nossas fontes de alimentação, unidades SMPS, etc.

A única diferença é a ausência do núcleo que normalmente encontramos em nossos transformadores de fonte de alimentação regulares. O núcleo ajuda a maximizar (concentrar) o processo de transferência de energia e introduzir perdas mínimas que por sua vez aumentam a eficiência em grande medida

Seleção do núcleo do indutor

O núcleo também permite o uso de frequências relativamente mais baixas para o processo, para ser preciso em torno de 50 a 100 Hz para transformadores de núcleo de ferro, enquanto dentro de 100 kHz para transformadores de núcleo de ferrite.

No entanto, em nosso artigo proposto sobre como funciona a transferência de energia sem fio, uma vez que as duas seções precisam estar totalmente distantes uma da outra, o uso de um núcleo fica fora de questão, e o sistema é compelido a funcionar sem o conforto de um núcleo auxiliar.

Sem um núcleo, torna-se essencial que uma frequência relativamente mais alta e também uma corrente mais alta sejam empregadas para que a transferência seja capaz de iniciar, o que pode ser diretamente dependente da distância entre os estágios de transmissão e recepção.

Resumindo o Conceito

Para resumir, a partir da discussão acima, podemos assumir que, para implementar uma transferência de potência ótima através do ar, precisamos ter os seguintes parâmetros incluídos no projeto:

Uma relação de bobina corretamente combinada em relação à indução de tensão pretendida.

Uma alta frequência na ordem de 200kHz a 500kHz ou mais para a bobina transmissora.

E uma alta corrente para a bobina transmissora, dependendo de quanto distância as ondas eletromagnéticas irradiadas precisam ser transferidas.

Para obter mais informações sobre como funciona a transferência sem fio, sinta-se à vontade para comentar.