16 1.2.1.2 Elektrostatická indukce
Elektrostatická indukce je průchod energie skrze dielektrikum [25]. V praxi se jedná o gradient elektrického pole nebo rozdílné kapacity mezi dvěma terminály ve formě desek nebo elektrod, které jsou umístěny nad vodivou zemnící deskou u vysílače i přijímače. Principem této technologie je nabití terminálů vysokým napětím o vysoké frekvenci, které vyvolá kapacitní vazbu mezi terminály, ta pak přenáší energii ke spotřebiči.
Tato technologie je zatím stále ve fázi výzkumu a do budoucna se jeví jako velice perspektivní, ovšem uplatnění v praxi si stále nenašla.
Obrázek 2: Nikola Tesla poprvé demonstruje metodu elektrostatické indukce [11]
1.2.2 Elektromagnetická radiace
Tato metoda se používá pro přenos energie na velké vzdálenosti, často až několik kilometrů. Důvodem pro využití elektromagnetického záření pro přenos na velké vzdálenosti je fakt, že vyzařování v rádiovém až optickém pásmu je směrové a záření tak lze směrovat úzkým paprskem na celou plochu přijímače. Díky tomu je dosaženo minimálních ztrát při přenosu.
17 1.2.2.1 Rádiové vlny
Rádiové vlny mají ze všech druhů elektromagnetické radiace, používaných pro bezdrátový přenos energie, největší vlnovou délku, a proto se jen obtížně směrují.
V praxi tak dochází ke značným ztrátám. Tento typ bezdrátového nabíjení využívá přijímání rádiových vln stejně jako například televize či rádio. Vysílač i přijímač musí být naladěny na stejné frekvenci. Výhodou tohoto přenosu je poměrně velký dosah, ovšem nevýhodou je nízká efektivita.
Tato technologie se využívá u zařízení s velmi malou spotřebou a malými bateriemi, jako jsou například hodinky, pomůcky pro nedoslýchavé, lékařské implantáty a bezdrátové klávesnice [19].
Obrázek 3: Sada pro rádiový přenos energie od firmy Microchip [26]
1.2.2.2 Mikrovlny
Lepší než rádiové vlny jsou mikrovlny, které jsou mnohem směrovější a umožňují efektivnější přenos na delší vzdálenosti. Pro zpětný převod z mikrovln na elektřinu lze použít rectennu [27]. S tou lze dosáhnout velmi vysoké efektivity přenosu: až 95 %.
Bezdrátový přenos energie pomocí mikrovln bylo navrhováno využít pro projekt satelitních solárních elektráren na orbitě kolem Země. Satelity by tímto způsobem mohly nashromážděnou energii poslat na Zem. Na tuto vzdálenost přenosu však vzniká značný rozptyl mikrovln a přijímač by musel mít průměr zhruba 10 km.
18
Obrázek 4: Koncept satelitních solárních elektráren [28]
1.2.2.3 Laser
Laserová metoda bezdrátového přenosu energie využívá vlnové délky elektromagnetického záření v oblasti kolem viditelného spektra. K přenosu se využívá převod elektrické energie na laserový paprsek namířený na fotovoltaický článek, který paprsek převede zpět na elektrickou energii. Efektivita tohoto přenosu je však mnohem menší než u mikrovlnného záření, kvůli neefektivnímu převodu laserového paprsku na elektrickou energii. S dnešními nejlepšími fotovoltaickými články bylo dosaženo pouze zhruba 40% efektivity přenosu.
Stejně tak jako mikrovlnné záření, je i laserové záření o vysokém výkonu, zdraví nebezpečné. Z tohoto důvodu se nejspíše ani jedna z technologií neobjeví v rámci běžně dostupných nabíječek malých mobilních zařízení, ale spíše se využijí v nějakém zabezpečeném energetickém projektu.
Obrázek 5: Koncept pro dobíjení létajících robotů laserovým paprskem [29]
19
1.2.3 Elektrické vedení (skrze přírodní materiály)
Bezdrátový přenos energie touto metodou je založen na principu vysílání střídavé elektrické energie skrze zemi s rovnocenným elektrickým nábojem, šířícím se skrze atmosféru. Tato metoda přenosu dosahuje větších vzdáleností, mnohem větších než například rezonanční přenos. Tato metoda je efektivitou údajně srovnatelná s přenosem pomocí elektromagnetické radiace. Jako vysílače se používají vysoké věže, které distribuují náboj mezi zem a atmosféru. Elektrická energie může být touto metodou vyslána skrze nehomogenní zemi s minimálními ztrátami, protože odpor mezi dvěma protilehlými body na Zemi je při přenosu touto metodou údajně menší než 1 Ohm.
Přijímač následně získává energii skrze zemi a ekvivalentní náboj v atmosféře.
Tato metoda by mohla být vhodná pro přenos energie v průmyslovém měřítku. Využít ji plánoval vynálezce Nikola Tesla ve svém projektu Wardenclyffovy věže [30]. Kvůli nedostatku financí však nikdy nebyla dokončena.
Obrázek 6: Teslova Wardenclyffova věž [30]
20
1.3 Firmy a standardy
1.3.1 Wireless power consortium
V rámci standardizace bezdrátového dobíjení založilo 17. prosince 2008 několik velkých firem celosvětové sdružení s názvem Wireless power consortium [16] (dále jen WPC). Mezi zakládající firmy patřily například: Sanyo, Logitech, Philips, Texas Instruments a další. V současné době je ve sdružení 206 firem z celého světa. Cílem organizace bylo vytvořit univerzální bezdrátový dobíjecí standard, který by umožnil vzájemnou kompatibilitu různých zařízení. V roce 2009 vydalo sdružení první Qi standard pro nízkovýkonový přenos a v roce 2011 druhý Qi standard pro středněvýkonový přenos. Sdružení nadále tyto standardy vyvíjí a snaží se o jejich implementaci do koncových zařízení pro zajištění vzájemné kompatibility.
1.3.2 Qi standard
Qi (vyslovuje se „či“) [31] je standardizovaným rozhraním vyvinutým sdružením WPC.
Tento standard využívá přenosu pomocí technologie elektrodynamické rezonance s možností vzdálenosti přijímače do 4 cm. Tento standard je založen na systému vysílací podložky, která je umístěna pod zařízením a přijímače integrovaného do zařízení. Standard Qi pro nízký výkon je dimenzován pro přenos do 5 W a v současné době se začíná rozšiřovat hlavně mezi mobilními telefony. Druhý Qi standard pro střední výkon je dimenzován pro přenos do 120 W a je plánován pro dobíjení například notebooků nebo počítačových monitorů.
1.4 Vliv elektromagnetického pole a záření na člověka.
Již od dob první elektrifikace se vyskytuje mnoho různých poplašných zpráv o škodlivém vlivu elektromagnetického pole nebo záření v souvislosti se zvýšeným výskytem nemocí, jako například: rakovina, Alzheimerova nebo Parkinsonova choroba.
Ovšem jak udává zpráva státního zdravotního ústavu [32], která zkoumá vliv EM. pole a záření do 300 GHz, žádný výzkum zatím neodhalil žádné jiné vlivy, než indukované proudy a teplo. Pokud tedy záření nepřekročí limity stanovené v ICNIRP 1998 [33], neměl by být vliv na zdraví člověka škodlivý. Vliv na zdraví, zvláště pak u technologií s nižší frekvencí, jako jsou indukční či rezonanční, které využívají například nabíjecí podložky[34], by měl být zcela neškodný.
21
2 Výběr vhodné technologie přenosu
Na základě seznámení s různými technologiemi bezdrátového přenosu byl výběr zúžen na dvě technologie, a to elektrodynamickou indukční a rezonanční. Důvodem je relativně jednoduchá konstrukce přijímače i vysílače při dostatečné přenosové efektivitě a výkonu. Tuto volbu utvrzuje i fakt, že se jedná o dvě nejrozšířenější technologie pro bezdrátové dobíjení malých mobilních zařízení [35]. Indukční dobíjení například využívá v současné době firma Nokia u svých mobilních telefonů. S vývojem rezonančního přenosu v poslední době experimentuje například firma Intel. Jejich dobíjecí systém pro mobilní telefony je integrován do notebooku, v současné době prý jejich systém na vysílači přijme až 15 W a do mobilního telefonu jsou přeneseny pouze 3 W, to by odpovídalo efektivitě systému zhruba 20 %.
Na obrázku 7, který vytvořila firma Intel, je srovnání obou technologií přenosu.
Z něj je patrné, že indukční přenos je teoreticky schopen přenést větší množství energie než přenos rezonanční, ovšem pouze na krátkou vzdálenost. Rezonanční přenos má však na delší vzdálenosti lepší efektivitu. Jako vhodnější technologie se tedy jeví rezonanční.
Obrázek 7: Srovnání indukčního a rezonančního přenosu energie [35]
Pro lepší seznámení s oběma technologiemi bylo rozhodnuto sestavit základní obvody pro oba druhy přenosu na nepájivých polích. Bližší seznámení s těmito technologiemi a získané hodnoty z měření by měli usnadnit výběr nejvhodnější technologie přenosu.
22
2.1 Indukční přenos
Podle návodu [36] na serveru mobilmania.cz byl sestaven velice jednoduchý základní obvod pro indukční přenos energie. Tento obvod vytvoří pulsující elektrický proud, který proudí skrze primární cívku a vytváří časově proměnné elektromagnetické pole, které se indukuje v cívce sekundární. Obě cívky tvoří 20 závitů lakovaného měděného drátu o průměru 0,5 mm.
Obrázek 8: Schéma pro indukční přenos [36]
V tomto případě byl obvod lehce upraven. Na straně přijímače byl přidán můstkový usměrňovač z rychlých usměrňovacích diod BYV26C. Tranzistory byly nahrazeny dostupnějšími BD441 a celý obvod byl napájen 12 V. Na obvodu byla bez zátěže naměřena následující charakteristika (Graf 1) mezi napětím a vzdáleností cívek.
Z charakteristiky je patrné, že napětí na přijímači s rostoucí vzdáleností velmi rychle klesá a maximální napětí dosahuje těsně pod hodnotu napětí napájecího.
Graf 1: Indukční přenos 0
2 4 6 8 10 12
0 2 4 6 8
Napětí [V]
Vzdálenost [cm]
Indukční přenos
23
2.2 Rezonanční přenos
Podle druhého návodu [37] na serveru 4hv.org byl sestaven a oživen jednoduchý obvod pro rezonanční přenos energie. Vzhledem k tomu, že obvod musí kmitat na přesné rezonanční frekvenci vysílací cívky a kondenzátoru, byl tento obvod navržen na základě Royerova oscilátoru [38], který má od cívky zpětnou vazbu a sám se rozkmitá na přesné rezonanční frekvenci cívky a k ní paralelně zařazeného kondenzátoru. Jako primární cívka byla dle návodu použita dutá měděná trubice o průměru 6 mm s jedním závitem o průměru cca 8 cm, jako sekundární cívka pak měděný drát o průměru 1 mm s jedním závitem o průměru taktéž 8 cm. Obvod byl taktéž napájen 12 V.
Obrázek 9: Schéma pro rezonanční přenos [37]
Dále bylo třeba naladit přijímač na stejnou frekvenci jako vysílač. Toho lze nejjednodušeji dosáhnout změnou hodnoty kondenzátoru tak, aby napětí na přijímači vzrostlo na co největší hodnotu. Obvod byl opět doplněn o usměrňovač na přijímači.
Z výsledného grafu je patrné, že u rezonančního obvodu napětí na přijímači klesá méně strmě než u indukčního a maximální napětí dosahuje hodnot převyšujících napájecí.
Graf 2: Rezonanční přenos 0
10 20 30 40
0 5 10 15 20 25
Napětí [V]
Vzdálenost [cm]
Rezonanční přenos
24
2.3 Shrnutí a výběr
Celkově samozřejmě nelze oba předchozí obvody vzájemně srovnávat na základě efektivity přenosu při zatížení nebo maximálního dosahu, jelikož jsou obvody velmi různě navržené a navíc byly oba zapojeny na nepájivých polích, kde se značně projevovaly přechodové odpory. Cílem bylo se s obvody lépe seznámit a získat bližší poznatky, které by pomohly při rozhodnutí, jakou technologii zvolit pro tento systém.
Zjištěny byly tři zásadní poznatky. Prvním je fakt, že jelikož rezonanční přenos využívá paralelně řazeného kondenzátoru k cívce, na rezonančním obvodu značně vzrůstá napětí [4]. Na přijímači se tak naindukovalo maximální napětí cca 37 V, což je oproti 12 V, přivedených do vysílače, výrazný nárůst. Oproti indukčnímu přenosu, který má zhruba stejné napětí na přijímači i vysílači až v přímém kontaktu, měl rezonanční obvod bez zátěže shodné napětí na vzdálenost zhruba 6 cm. Rezonanční obvod měl tedy podstatně větší dosah, jak poukazoval již obrázek 7.
Další výhodou rezonančního obvodu, na kterou se při experimentech narazilo, je značně menší vliv kovových překážek na efektivitu přenosu. U indukčního přenosu se vyzářená energie do kovových překážek absorbuje a efektivita přenosu klesá.
U rezonančního obvodu k těmto ztrátám dochází v mnohem menší míře.
Poslední zjištěnou výhodou rezonančního obvodu je mnohem menší náchylnost na přesné umístění sekundární vůči primární cívce, jak poukazuje obrázek 10.
Z těchto důvodů bylo rozhodnuto pro náš systém využít právě rezonančního bezdrátového přenosu energie.
Obrázek 10: Indukční a rezonanční přenos mezi cívkami [39]
25
3 Rozbor požadavků na systém
Jak již bylo zmíněno v úvodu, možností, jak koncipovat systém, je několik. Prvním problémem byla volba technologie přenosu energie, která byla vyřešena v předchozí kapitole. Ovšem, protože cílem této práce je navrhnout celý bezdrátový nabíjecí systém, kvůli čemu zřejmě nezbude dostatek času na vyladění samotných obvodů pro bezdrátový přenos, bylo rozhodnuto vytvořit energetický přenos formou samostatných modulů. Tyto moduly se pak budou moci do budoucna vylepšovat, rozšiřovat nebo se případně budou moci vyměnit za lepší, či za moduly s jinou technologií přenosu.
Dalším problémem byla volba zapínání vysílací stanice, tedy zda má běžet neustále nebo se spínat automaticky na základě detekce přijímače. Vzhledem k tomu, že systém měl být konstruován zároveň jako laboratorní aparát, bylo rozhodnuto navrhnout systém na obě možnosti, tedy pro automatický systém s možností přepnutí do manuálního stavu, kdy vysílací stanice poběží neustále.
Protože systém bude disponovat automatickou detekcí přijímače a zároveň byla požadována datová komunikace mezi přijímačem a vysílačem, bylo rozhodnuto pro detekci a přenos dat využít bezdrátových komunikačních modulů.
Dalším požadavkem byla komunikace vysílače s PC. Vysílač by pak mohl poskytovat počítači podrobné informace o stavu systému, stavu nabíjení, efektivitě přenosu a podobně. Dále také bylo požadováno, aby některé informace mohl vysílač zobrazit uživateli bez přítomnosti PC. Pro některé stavové informace postačí zobrazení pomocí LED diod, ovšem pro naměřené hodnoty bude třeba rozšířit vysílač o display.
Zvažováno bylo také, jakým způsobem nabíjet baterie z bezdrátového přijímače. Vytvořit optimální nabíjecí systém s vysokou efektivitou a variabilním omezením nabíjecího proudu v závislosti na odběru baterie a množstvím energie, poskytnutým bezdrátovým přijímačem, by vydalo na samostatnou práci a tato problematika opět není součástí zadání této práce. Proto bylo rozhodnuto vytvořit pouze demonstrační bočníkový obvod, který bude fungovat s nižší efektivitou. Do budoucna bude moci být nahrazen nějakým sofistikovanějším nabíjecím obvodem.
26
3.1 Blokové schéma
Na základě předchozích rozhodnutí bylo sestaveno následující blokové schéma bezdrátového dobíjecího systému (Obr. 11). Schéma se skládá ze dvou částí, na levé straně je Vysílací stanice a její moduly, na pravé straně pak Přijímací stanice a její moduly, mezi nimiž probíhá bezdrátový přenos energie a dat.
Kvůli požadavku komunikace Vysílací stanice s PC bude na Vysílači umístěn převodník UART/USB ve formě samostatného modulu. Pro zobrazení některých dat bude k vysílači připojen modul s Displayem. Komunikaci s Přijímací stanicí bude zajišťovat některý z dostupných Datových modulů. Posledním modulem vysílací části je Rezonanční vysílací modul pro přenos energie.
Pro Přijímací stanici bude zajišťovat datovou komunikaci stejný Datový modul.
O přijetí bezdrátové energie se postará připojený Rezonanční přijímač. Přijímač bude dále obsahovat nabíjecí obvod, ke kterému bude připojena baterie, kterou bude dobíjet.
V tomto návrhu je systém koncipován spíše jako laboratorní aparát pro seznámení a experimentování s bezdrátovým přenosem energie, než jako set pro připojení ke konkrétnímu robotu. Vysílač a přilehlé moduly plní funkci Vysílací stanice.
Přijímač a přilehlé moduly zastávají samostatnou, plně automatickou Přijímací stanici dobíjející baterii, nezávislou na funkcích robota. Žádná integrace s konkrétním robotem, který by z tohoto Přijímače chtěl získávat informace, nebyla v rámci této práce řešena.
Obrázek 11: Blokové schéma bezdrátového dobíjecího systému
27
3.2 Popis jednotlivých bloků
Dále bylo třeba na základě požadavků navrhnout, jaké obvody budou jednotlivé bloky obsahovat a které součástky budou potřeba. Při výběru byl kladen důraz na robustnost součástek, která by měla omezit možnost jejich poškození při časté manipulaci, či nechtěnému přetížení při experimentech. Dále byla zohledněna i jednoduchost některých obvodů či součástek z důvodu snazšího a rychlejšího pochopení v rámci seznámení se systémem v dalších pracích, které budou tento projekt rozšiřovat či upravovat. Velký důraz byl také kladen na co nejnižší cenu jednotlivých součástek, protože jednotlivé části systému se budou do budoucna upravovat či měnit a docházelo by k velkým finančním ztrátám.
3.2.1 Display
Jako modul Displaye bylo rozhodnuto zakoupit hotový modul SIC1602A20C [40]. Ten disponuje rozhraním I2C a vyznačuje se nízkou spotřebou díky LED podsvícení a nízkou cenou. Display je řazen do dvou řádků o šestnácti znacích a napájen je 5 V. Display má z výroby přednastavenou adresu 0x74 a inicializace probíhá zasláním sekvence: 00000000, 00100110, 00001110, 00000110 (binárně). Display je rozdělen do čtyř sektorů o osmi znacích a adresy sektorů jsou 128, 150, 192, 216 (dekadicky). Řadič displaye (Philips PCF2116 [41]) používá znakovou sadu typu C, která má oproti znakové sadě standardnějších řadičů HD44780 znaky abecedy s nejvyšším bitem jedničkovým. Jejich kód je tedy o 0x80 vyšší.
Obrázek 12: SIC1602A20C
28 3.2.2 Datové moduly
Pro přenos dat bylo zvoleno použití rádiových modulů, a to konkrétně modulů HM-TR [42] od společnosti Hope Microelectronics. Vybrány byly pro svou příznivou cenu, kompaktní rozměry a jednoduchost použití. Jedná se o UHF rádiový vysílač s transparentním datovým přenosem. Je navržen pro přenos dat na velké vzdálenosti a poskytuje vysokou datovou propustnost. Mezi jeho výhody patří hlavně možnost změny nosné frekvence, konfigurace UART formátu a nízká spotřeba v režimu spánku.
Obrázek 13: Modul HM-TR
Pro nakonfigurování modulu na požadované parametry je třeba zapojit modul k sériovému portu PC podle následujícího schématu (Obr. 14). Vzhledem k tomu, že PC disponuje sériovou linkou standardu RS232 a rádiový modul sériovou linkou standardu UART, je třeba použít převodník MAX232 [43]. Samotné nakonfigurování pak probíhá pomocí výrobcem dodávaného softwaru (Obr. 15).
Obrázek 14: Zapojení Rádiového modulu pro komunikaci [42]
29
Obrázek 15: Software pro konfiguraci HM-TR [42]
Zapojení modulu pro komunikační účely je realizováno dle následujícího schématu (Obr. 16). Při připojení napájení musí být pin CONFIG v logické nule. Pin ENABLE je vhodné připojit na některý z GPIO pinů procesoru, který ovládá modul, protože v komunikačním módu pin ENABLE ovládá chování rádiového modulu.
V logické nule je modul uspán a přepnut do režimu minimálního odběru energie. Při přepnutí do logické jedničky se modul aktivuje a je připraven pro přenos komunikace dle svých přednastavených parametrů.
Sada těchto modulů byla následně otestována v těsné blízkosti rezonančních obvodů pro bezdrátový přenos energie kvůli zjištění, zda přenos energie nebude rušit přenos dat. Během těchto zkoušek nebyly žádné vlivy zaznamenány.
Obrázek 16: Zapojení modulu HM-TR pro komunikaci [42]
30 3.2.3 Rezonanční vysílač
Jak již bylo zmíněno, použit bude rezonanční přenos energie. Modul bude sestaven na základě již zmíněného návodu [37]. Protože při experimentech se ukázalo, že na přenos energie má značný vliv velikost, průměr a počet závitů vysílací cívky, bylo tedy rozhodnuto, že modul bude uzpůsoben pro její snadnou výměnu. Dbát bude také třeba na chlazení tranzistorů v obvodu. Při experimentech se ukázalo, že sice nepotřebují velký chladič, ale bez něj se neobejdou.
Upraveno bude taktéž spínání obvodu. V původním návodu je sepnutí obvodu zpožděno přes integrované relé kvůli zvýšení času pro dostatečný náběh zdroje, jelikož při počátečním nízkém napětí se obvod nemusí rozkmitat a může se poškodit. Při experimentech, kdy byl obvod spínán tranzistorem na již zapnutém zdroji, se toto relé ukázalo být již zbytečné a mimo to způsobovalo další konstantní odběr energie navíc.
Nakonec bylo rozhodnuto relé ve schématu ponechat, stejně tak jako jeho pozici ve výsledném plošném spoji. Pokud se i na finálním obvodu ukáže, že ho již není třeba, bude moci být jednoduše překlenuto.
3.2.4 Rezonanční přijímač
Rezonanční přijímač bude sám o sobě jednoduchý, jedná se v podstatě jen o přijímací cívku, paralelně zařazený kondenzátor a usměrňovač. Ovšem v závislosti na změnách vysílací cívky bude třeba měnit nejen cívku přijímače, ale i kondenzátor. Cívka tedy bude taktéž umístěna ve šroubovacím terminálu.
Změna hodnoty kondenzátoru se na přijímači používá k naladění na stejnou
Změna hodnoty kondenzátoru se na přijímači používá k naladění na stejnou