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, discutimos como funciona a transferência de energia sem fio ou a transferência de eletricidade pelo ar sem o uso de fios.
Você já deve ter se deparado com essa tecnologia e pode ter passado por muitas teorias relacionadas na Internet.
Embora a Internet possa estar cheia de artigos desse tipo explicando o conceito com exemplos e vídeos, o leitor geralmente não consegue entender o princípio central que rege a tecnologia e suas perspectivas futuras.
Como funciona a transferência de eletricidade sem fio
Neste artigo, tentaremos ter uma ideia de como uma transferência de eletricidade sem fio acontece ou funciona ou a condução ocorre e por que a ideia é tão difícil de implementar em grandes distâncias.
O exemplo mais comum e clássico de transferência de energia sem fio é 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 por trás dessa tecnologia é que ela é incapaz de transferir as ondas com alta corrente, de modo que a potência transmitida se torne significativa e utilizável no lado receptor para conduzir uma carga elétrica potencial.
Este problema se torna difícil, pois a resistência do ar pode estar na faixa de milhões de mega Ohms e, portanto, extremamente difícil de cortar.
Outro incômodo que dificulta ainda mais a transferência de longa distância é a viabilidade de focalização da energia para o destino.
Se a corrente transmitida puder 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, a transferência de eletricidade em distâncias curtas sem fios parece muito mais fácil e foi implementada com sucesso por muitos, simplesmente porque para distâncias curtas as restrições discutidas acima nunca se tornam 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 até menor dependendo do nível de proximidade), e a transferência torna-se viável de forma bastante eficiente com a incorporação de alta corrente e alta frequência.
Adquirindo o intervalo ideal
A fim de adquirir uma ótima eficiência distância-corrente, a frequência de transmissão torna-se o parâmetro mais importante na operação.
Frequências mais altas permitem que distâncias maiores sejam cobertas com mais eficiência e, portanto, esse é um elemento que precisa ser seguido ao projetar um aparelho de transferência de energia sem fio.
Outro parâmetro que facilita a transferência é o nível de tensão, tensões mais altas permitem envolver correntes mais baixas e manter o dispositivo compacto.
Agora vamos tentar entender o conceito através de uma configuração de circuito simples:
O circuito montado
Lista de peças
R1 = 10 ohms
L1 = 9-0-9 voltas, ou seja, 18 voltas com uma torneira central usando um fio de cobre super esmaltado 30 SWG.
L2 = 18 voltas usando fio de cobre super esmaltado 30 SWG.
T1 = 2N2222
D1—-D4 = 1N4007
C1 = 100uF/25V
3V = 2 células AAA 1,5V em série
A imagem acima mostra um circuito de transferência de energia sem fio simples que consiste no estágio do transmissor à esquerda e no estágio do receptor no lado direito do design.
Ambos os estágios podem ser vistos separados com um entreferro significativo para o deslocamento pretendido da 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 de fato é 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 ao redor da bobina.
Estando em alta frequência, esse campo eletromagnético é capaz de romper o espaço de ar ao seu redor e alcançar uma distância permitida, dependendo de sua classificação atual.
O estágio receptor pode ser visto consistindo apenas de um indutor complementar L2 bastante semelhante a L1, que tem o único papel de aceitar as ondas eletromagnéticas transmitidas e convertê-las novamente em uma diferença de potencial ou eletricidade, embora em um nível de potência menor devido à transmissão envolvida perdas pelo ar.
As ondas eletromagnéticas geradas a partir de L1 são irradiadas ao redor, e L2 em algum lugar na linha é atingida 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 CC 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 antiga tecnologia de transformador 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 obrigado 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 supor 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 superior para a bobina do transmissor.
E uma alta corrente para a bobina do transmissor, dependendo de quanta distância as ondas eletromagnéticas irradiadas devem ser transferidas.
Para mais informações sobre como funciona a transferência sem fio, sinta-se à vontade para comentar.
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FONTE
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