さまざまなタイプのワイヤレス電力伝送技術とその機能

すべての電子システムまたはデバイスは、壁に囲まれたAC電源からのものであれ、バッテリーからのものであれ、動作するために電力を必要とします。この電力は、バッテリー、コンデンサー、スーパーキャパシターなどの充電式デバイスに無限に蓄えることはできません。したがって、ラップトップや携帯電話などのポータブルデバイスは、バッテリーを定期的に再充電するためにAC電力線に接続する必要があります。

通常、電気ケーブルは、スマートフォン、タブレット、イヤホン、Bluetoothスピーカーなどのこれらの充電式デバイスをAC-DCアダプターに接続するために使用されます。電子導体ケーブルを使用して2つのシステム間で電力またはデータを転送することは、電気自体の発見以来、最も基本的で一般的な方法です。そして、人々は今までなく、の概念に美しさのリード線で完璧な技術、人間の安全性と人類の飢餓の進歩と電気ケーブルを使用して満足しているワイヤレス電力伝達（WPT）または無線エネルギー伝送（WET） 長い間失われている絵に歴史の中で。以前の記事のいくつかでは、ワイヤレス電力伝送について詳しく説明し、電力をワイヤレス伝送してLEDを点灯させる回路も構築しました。

ワイヤレス電力伝送（WPT）の最初のかなりの実験的アプリケーションは、1890年代初頭に発明者のニコラテスラによって行われました。実験中、電力は、現在テスラコイルと呼ばれている火花励起無線周波数共振変圧器を使用した誘導性および容量性結合によって伝達されます。これらの実験は部分的に成功していますが、効率的ではなく、多額の投資が必要です。したがって、後で、これらの実験は廃棄され、技術研究は何年にもわたって停滞しました。また、テスラコイルの概念を示すためにミニテスラコイルを構築しました。

現在でも、ワイヤレスで高電力を供給する効果的な方法はありませんが、2つのシステム間で低電力を効果的に転送するために、現在の技術的進歩を備えた回路を設計することは可能です。また、ワイヤレス充電器は、この新開発の回路をベースに設計されており、スマートフォンなどの小型電子機器にワイヤレスで電力を供給することができます。

ワイヤレス充電器で使用されるさまざまなワイヤレス充電技術

ワイヤレス電力伝送の概念が普及して以来、科学者とエンジニアの両方がこの概念を実現するためのさまざまな方法を考え出しました。これらの実験のほとんどは失敗または非実用的な結果につながりましたが、これらの実験のいくつかは満足のいく結果を生み出しませんでした。ワイヤレス電力伝送を実現するためのこれらのテスト済みの実用的な方法には、独自の長所、短所、および機能があります。これらのさまざまな方法の中で、ワイヤレス充電器の設計に使用されるのは2つだけです。他の方法には独自のアプリケーション領域と利点があります。

理解を深めるために、これらの方法は、伝送距離、最大電力、および電力伝送を実現するために使用される方法に基づいて分類されています。次の図では、ワイヤレス電力伝送技術を実現するために使用されるさまざまな方法とその分類を示しています。

ここに、

最初の最も重要な分類は、電力伝達が可能な距離に基づいています。実験された方法では、遠く離れた負荷にワイヤレスで電力を供給することができるものもあれば、ソースからわずか数センチメートル離れた負荷にしか電力を供給できないものもあります。したがって、最初の分割は、メソッドがニアフィールドかファーフィールドかによって決まります。
距離能力の違いは、ワイヤレス電力伝送を実現するためにさまざまな方法で使用される現象のタイプに基づいています。たとえば、電力を供給する方法で使用される媒体が電磁誘導である場合、最大距離は5cmを超えることはできません。これは、磁束の損失がソースと負荷の間の距離の増加とともに指数関数的に増加し、許容できない電力損失につながるためです。一方、電力を供給する方法で使用される媒体が電磁放射である場合その場合、最大距離は数メートルにもなる可能性があります。これは、EMRが光源から数メートル離れた焦点に集中する可能性があるためです。また、EMRを媒体として電力を供給する方法は、他の方法と比較して効率が高くなります。
上記の多くの方法で、いくつかは他よりも人気があり、広く使用されている一般的な方法を以下で説明します。

媒体として電磁放射を使用するワイヤレス電力伝送には、マイクロ波電力とレーザー/光電力の2つの一般的な方法があります。

マイクロ波ワイヤレス電力伝送

この方法では名前自体がそれを示しているため、EMRのマイクロ波スペクトルを使用して負荷に電力を供給します。まず、送信機はコンセントまたはその他の安定した電源から電力を引き出し、次にこのAC電力を必要なレベルに調整します。その後、送信された電力は、この安定化電源を消費することによってマイクロ波を生成します。マイクロ波は、受信機または負荷に到達するために中断することなく空気中を移動します。受信機には、このマイクロ波放射を受信して電気エネルギーに変換するための適切なデバイスが装備されます。この変換された電力は、受信機に到達するマイクロ波放射の量に正比例するため、マイクロ波放射を使用したワイヤレス電力伝送が実現されます。

レーザー光ワイヤレス電力伝送

エレクトロニクスや電力を扱う人なら誰でも、太陽光発電という概念に出くわしたはずです。そして、あなたが正しく覚えていれば、太陽光発電の概念は、太陽の電磁放射を使用して発電することに他なりません。この変換プロセスは、ソーラーパネル、ソーラーヒーティング、またはその他のシステムに基づくことができ、ソーラーパワーチャージャーはソーラーパネルを使用して簡単に構築できます。しかし、ここでの重要な問題は、太陽によって地球に伝達されるエネルギーが電磁放射の形であり、特に可視スペクトルにあり、ここでエネルギーの伝達がワイヤレスで行われることです。したがって、太陽光発電の概念はそれ自体がメガワイヤレス電力伝送システムです。

さて、太陽をより小さなEMRジェネレーター（または単に光源）に置き換えると、生成された放射線を光源から数百メートル離れた負荷に集中させることができます。この集束光がレシーバーモジュール（または負荷）のソーラーパネルに到達すると、光エネルギーを電力に変換します。これは、ワイヤレス電力伝送のセットアップの本来の目標です。

これまで、電源から数メートル離れた負荷に電力を供給することができる技術または方法について説明してきました。これらの技術には距離機能がありますが、かさばり、コストがかかるため、モバイル充電器の設計には適していません。ワイヤレス充電器の設計に使用できる最も実用的な方法は、「誘導結合タイプ」と「磁気共振誘導」です。これらは、電磁誘導のファラデーの法則を原理として使用し、磁束を伝搬現象として使用してワイヤレス電力伝送を実現する2つの方法です。

誘導結合を使用したワイヤレス電力伝送

誘導結合で使用されるセットアップは、電気変圧器で使用されるセットアップと非常によく似ています。理解を深めるために、誘導結合ワイヤレス電力伝送方式の一般的なアプリケーション回路を見てみましょう。

上記の機能図では、2つのセクションがあります。1つは送電のセットアップで、もう1つは電力の受信機のセットアップです。
両方のセクションは互いに電気的に絶縁されており、数センチ幅の絶縁体によって分離されています。両方のセクションには電気的相互作用はありませんが、それでもそれらの間には磁気結合があります。
トランスミッタモジュールにあるAC電圧源は、システム全体に電力を供給します。

誘導結合型無線伝送の動作： AC電圧源がコイルの端端子に接続されているため、最初から、導体コイルに電流が流れます。そして、この電流が流れるため、フェライトコアにしっかりと巻かれたコイルの導体の周りに磁場が発生するはずです。媒体が存在するため、コイルの磁束はすべてフェライトコアに集中します。この磁束はフェライトコアの軸に沿って移動し、図に示すように伝送モジュールの外側の自由空間に放出されます。

ここで、受信機モジュールを送信機に近づけると、送信機から放出される磁束が受信機モジュールに存在するコイルを切断します。送信機モジュールによって生成される磁束は変動する磁束であるため、EMFは、ファラデー電磁誘導の法則に従って、その範囲内にある導体に誘導する必要があります。この理論に基づいて、EMFは送信機によって生成された磁束を経験している受信機コイルにも誘導されなければなりません。この生成された電圧は、システムコントローラーに非常に必要な適切なDC電圧を取得するために、整流、フィルタリング、および調整されます。

場合によっては、送信機と受信機をよりコンパクトで軽量にするためにフェライトコアも削除されます。このアプリケーションは、ワイヤレス携帯電話の充電器とスマートフォンのペアで見ることができます。私たち全員が知っているように、現在、業界は首から首まで競争して、より軽く、よりスリムで、より涼しい高性能のスマートフォンやその他のデバイスをリリースしています。設計者は、パフォーマンスを損なうことなくこれらの機能を実現するために文字通り悪夢を抱えているため、ワイヤレス電力伝送のためだけにデバイスを大きくすることは容認できません。そのため、デザイナーとエンジニアリングは、スマートフォンやタブレットに搭載できる、よりスリムで軽量なモジュールを考案しています。

ここでは、最新のワイヤレス充電器の内部構造を見ることができます。

ワイヤレス電力機能を備えたスマートフォンにも、電磁誘導を可能にする同様のコイルがあります。下の図では、スマートフォンのバッテリーに近い下端にスリムコイルがどのように取り付けられているかを確認できます。エンジニアがこのワイヤレス充電器を、その性能を損なうことなく非常にスリムに設計した方法を見ることができます。このセットアップの動作は、巻線の中心にフェライトコアがないことを除いて、上記の場合と同様です。

電磁誘導を介して電力を伝送するこの方法は簡単に思えますが、ケーブルを介して電力を供給する効率的な方法に匹敵するものではありません。

磁気共振誘導ベースのワイヤレス電力伝送

磁気共振誘導は、送信機と受信機の2つの共振回路（同調回路）間で磁場によって電力が転送される誘導結合の形式です。このため、磁気共振誘導回路のセットアップは、前に説明した誘導結合回路と非常に似ている必要があります。

この図では、直列コンデンサが存在することを除いて、回路全体が前のケースと同様であることがわかります。

動作：このモデルの動作も前のケースと非常に似ていますが、ここでは送信機と受信機に存在する回路が共振周波数で動作するように調整されています。コンデンサは、この共振効果を実現するために、両方のコイルと特別に直列に接続されています。

ご存知のように、インダクタと直列のコンデンサは、図に示すように直列LC回路を形成します。そして、この回路が共振で動作する周波数の値は、次のように与えることができます。

F _r = 1 /2ᴫ（LC）^1/2

ここで、L =インダクタ値、C =コンデンサ値です。

同じ式を使用して、送信機回路の共振周波数の値を計算し、AC電源周波数をその計算値に調整します。

ソース周波数が調整されると、送信機回路と受信機回路は共振周波数で動作します。この後、前のケースで説明したように、ファラデーの誘導の法則に従って、EMFを受信回路に誘導する必要があります。そして、この誘導起電力は、図に示すように、適切なDC電圧を取得するために、整流、フィルタリング、および調整されます。

これまで、ワイヤレス電力伝送に使用できるさまざまな手法と、その代表的なアプリケーション回路について説明してきました。そして、これらの方法を使用して、ワイヤレス充電器、ワイヤレス電気自動車充電システム、ドローン、飛行機などのワイヤレス電力伝送など、すべてのワイヤレス電力伝送システムの回路を開発しています。

ワイヤレス電力伝送規格

現在、各企業が独自のプロダクションと充電ステーションを開発しているため、消費者が選択肢の海の中から最良のものを選択できるようにするために、すべての開発者に共通の基準が必要です。したがって、ワイヤレス電力伝送システムの開発に取り組んでいるすべての業界が、いくつかの標準に準拠しています。

ワイヤレス充電器などのワイヤレス電力伝送デバイスの開発に使用されるさまざまな規格：

「Qi」規格– Wireless Power Consortiumによる：

テクノロジー-誘導性、共振-低周波
低電力-5W、中電力-15W、Qiコードレスキッチン家電100W〜2.4kW
周波数範囲-110〜205 kHz
製品-50以上の製品で、60を超える携帯電話会社で使用されています

「PMA」基準– Power Matter Allianceによる：

テクノロジー-誘導性、共振-高周波
3.5Wから50Wまでの最大電源出力
周波数範囲-277– 357 kHz
製品–2台だけですが100,000台のパワーマットユニットが世界中に配布されています

ワイヤレス充電器の利点

ワイヤレス充電器は、スマートフォン、ラップトップ、iPod、ノートブック、イヤホンなどの家庭用デバイスの充電に非常に便利です。
これは、媒体なしで電力を転送するための便利で安全かつ効果的な方法を提供します。
環境にやさしい-人間や生物を傷つけたり傷つけたりしません。
医療用インプラントの充電に使用できるため、生活の質が向上し、感染のリスクが軽減されます。
電源ジャックの摩耗を心配する必要はありません。
ワイヤレス充電器を使用することで、電源ケーブルの向きをいじくり回すのは終わりです。

ワイヤレス充電器のデメリット

効率が低下し、電力損失が増加します。
ケーブル充電器よりもコストがかかります。
障害の修復は困難です。
高電力供給には適していません。
エネルギー損失は負荷とともに増加します。