मोबाइल उपकरणों के लिए पॉवेल कॉन्टैक्टलेस चार्जिंग सिस्टम के विकास पर तकनीकी रिपोर्ट

"पॉवेल" नामक मोबाइल उपकरणों के लिए एक संपर्क रहित चार्जिंग सिस्टम के विकास के तकनीकी विवरण के लिए कई अनुरोधों के संबंध में, हमने खुद ही विकास की प्रगति पर थोड़ी और विस्तृत रिपोर्ट बनाने का फैसला किया। हम आपको याद दिलाते हैं कि परियोजना का मुख्य लक्ष्य एक गुंजयमान संपर्क रहित बिजली प्रणाली विकसित करना था जिसका उपयोग किसी भी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है: मोबाइल फोन, एमपी 3 प्लेयर, डिजिटल कैमरा, जीपीएस नेविगेटर, डी / यू रिमोट, कार सहायक उपकरण, चिकित्सा उपकरण आदि। .D।


परिचय
संपर्क रहित बिजली प्रणालियों का उपयोग उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स को अधिक विश्वसनीय और उपयोग करने के लिए सुविधाजनक बना देगा [1-2]। संपर्क रहित बिजली प्रणालियों में सूचना प्रसारित करने की एक अतिरिक्त क्षमता उपकरणों का पता लगाने और पहचान प्रदान कर सकती है, और आपको ऑपरेशन के दौरान उपकरणों की सापेक्ष स्थिति निर्धारित करने की अनुमति भी देती है। ट्रांसमीटर की सीमा के भीतर डिवाइस प्राप्त करने की अनुपस्थिति में, एक मेगाहर्ट्ज बैंड सिग्नल (उच्च शक्ति, 10 डब्ल्यू तक) का उत्सर्जन करने के लिए ट्रांसमीटर की आवश्यकता नहीं है, जो डिवाइस द्वारा खपत ऊर्जा को बचाएगा। मेगाहर्ट्ज सिग्नल की आवश्यक विकिरण शक्ति निर्धारित करने के लिए प्राप्त मेगाहर्ट्ज सिग्नल (रिसीवर और ट्रांसमीटर के बीच की दूरी) और रिसीवरों की संख्या के स्तर के बारे में जानकारी प्रसारित करना भी वांछनीय है। डिवाइस की पहचान कई क्षेत्रों में आवश्यक है जहां सुरक्षा और गोपनीयता जैसे पहलू महत्वपूर्ण हैं।

वायरलेस पावर ट्रांसफर के साथ वायरलेस डेटा ट्रांसफर
संचार चैनल के माध्यम से जानकारी प्रसारित करने के लिए, एक डिजिटल संदेश, जो कि पात्रों का एक क्रम है, को एनालॉग सिग्नल में परिवर्तित किया जाना चाहिए - एक वोल्टेज स्तर जो समय के साथ बदलता है। निर्दिष्ट रूपांतरण मॉड्यूलेशन द्वारा किया जाता है। रिवर्स प्रक्रिया को डीमॉड्यूलेशन कहा जाता है।
तिथि करने के लिए, एक एकल ऑपरेटिंग आवृत्ति के लिए एक रेज़ोनेटर का उपयोग करके ऊर्जा और सूचना के संयुक्त वायरलेस ट्रांसमिशन के लिए सिस्टम को [5, 5] कहा जाता है। [4] में, एकल एंटीना का उपयोग करके एक आयाम-संग्राहक संकेत का उपयोग करके एक सूचना और ऊर्जा रिसीवर को साकार करने की संभावना को दिखाया गया है। [५] में वर्णित संयुक्त वायरलेस ऊर्जा और सूचना प्रसारण प्रणाली १३.५६ मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर काम करती है और एक साथ ५ एमबीपीएस की गति से ५०% की दक्षता और डेटा के साथ ऊर्जा के संचरण की अनुमति देती है। ऑपरेटिंग सिद्धांत एक सूचना संकेत द्वारा वाहक आवृत्ति के मॉड्यूलेशन पर आधारित है।
हालांकि, डेटा और ऊर्जा के संयुक्त वायरलेस ट्रांसमिशन की इस पद्धति का उपयोग करते समय, ऊर्जा हस्तांतरण दक्षता कम हो जाती है, क्योंकि आयाम-संग्राहक सिग्नल की औसत शक्ति अनमोडेड सिग्नल से कम है। इस विधि का एक और नुकसान रिसीवर से ट्रांसमीटर तक सूचना प्रसारित करने के साथ-साथ प्राप्त करने वाले गुंजयमान यंत्र में ऊर्जा प्राप्त करना, केवल एक आवृत्ति पर संचालित एक अनुनादक का उपयोग करना है।
[६- systems] में, संपर्क रहित ऊर्जा और डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम पर विचार किया गया, जिसमें निकट विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में अपनी बातचीत के माध्यम से दो जोड़ी प्रतिध्वनि का उपयोग करके संचरण किया जाता है।
इस प्रणाली के मुख्य तत्व रिजनरेटर्स प्राप्त करने और प्रसारित करने वाले हैं, जो कि रिंग्स (चित्र 1) के रूप में मल्टी-टर्न कॉइल हैं। ऊर्जा लगभग 150 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर प्रेषित होती है, अर्थात, चुंबकीय क्षेत्र द्वारा प्रतिध्वनकों के बीच संबंध सुनिश्चित किया जाता है। आकार में भिन्न कई फ़्रेमों के उपयोग के आधार पर एक समाधान प्रस्तावित किया गया था। इस मामले में, ऊर्जा और सूचना को स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले गुंजयमान यंत्र के बीच का अंतर कम से कम होता है।

चित्रा 1 - प्राप्तकर्ताओं को प्राप्त करने और प्रसारित करने की तस्वीर

ऊपर चर्चा की गई प्रणालियों में, ऊर्जा और सूचना का हस्तांतरण निकट विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में बातचीत के माध्यम से किया गया था। हालांकि, यह पाया गया कि ऐसी प्रणालियों के कई नुकसान हैं। डेटा विनिमय की गति और ऊर्जा हस्तांतरण की दक्षता सीमित है, इसके अलावा, गुंजयमान यंत्र का डिज़ाइन इस तथ्य से जटिल है कि उनके डिजाइनों को ऊर्जा और सूचना प्रसारण प्रणालियों के बीच पर्याप्त अलगाव प्रदान करना होगा।
इस तरह की कठिनाइयों को उच्चतर आवृत्तियों (उदाहरण के लिए, लगभग 900 मेगाहर्ट्ज और वाई-फाई पर्वतमाला में लगभग 900 मेगाहर्ट्ज और 2.4 गीगाहर्ट्ज़) पर सूचना प्रसारित करने से बचा जा सकता है। उच्च आवृत्तियों के उपयोग से डेटा ट्रांसफर दर में काफी वृद्धि होगी, साथ ही ऊर्जा हस्तांतरण प्रणाली द्वारा शुरू किए गए शोर के स्तर को कम किया जा सकता है।
इस तरह के समाधान अच्छी तरह से ज्ञात हैं और मोबाइल फोन में उपयोग किए जाते हैं। वायरलेस रिचार्जिंग [9] या डेटा ट्रांसफर [10] को मेगाहर्ट्ज़ रेंज में संचालित एक अलग गुंजयमान यंत्र का उपयोग करके किया जाता है। और एक ही समय में, अलग-अलग एंटेना (जीएसएम, वाई-फाई, आदि) का उपयोग करके, डेटा का आदान-प्रदान किया जाता है।
हालांकि, डेटा और ऊर्जा संचरण के लिए अलग-अलग एंटेना के उपयोग के लिए अतिरिक्त स्थान की आवश्यकता होती है, जो आधुनिक पोर्टेबल उपकरणों में बहुत सीमित है। इस समस्या को केवल एक अनुनादक का उपयोग करके हल किया जा सकता है, जो दो आवृत्ति श्रेणियों - मेगाहर्ट्ज़ और गीगाहर्ट्ज़ में संचालित होता है। ऊर्जा और सूचना प्रसारण चैनलों की आवृत्ति पृथक्करण एक द्विध्रुवीय का उपयोग करके किया जाता है।

गैर-संपर्क ऊर्जा हस्तांतरण के साथ संयोजन में डेटा संचारित करने के लिए ड्यूल-बैंड गुंजयमान यंत्र
एनर्जी ट्रांसफर के लिए मेगाहर्ट्ज़ (मेगाहर्ट्ज) बैंड और डेटा एक्सचेंज के लिए गीगाहर्ट्ज़ (गीगाहर्ट्ज) बैंड का उपयोग सिस्टम के बीच पर्याप्त अलगाव सुनिश्चित करने और डेटा ट्रांसफर दर में उल्लेखनीय वृद्धि करने के लिए संभव बनाता है।
एक एकल अनुनादक का उपयोग करके डेटा और ऊर्जा के हस्तांतरण के कारण प्रणाली की जटिलता इसके आकार को कम कर सकती है, लेकिन मिलान सर्किटों के साथ दो-मोड प्रतिध्वनि को डिजाइन करने की आवश्यकता और बाद के चैनलों के पृथक्करण के लिए एक द्विध्रुवीय के कारण अतिरिक्त कठिनाइयां पैदा करता है। चूंकि गुंजयमान यंत्र की ऑपरेटिंग आवृत्तियाँ एक दूसरे से बहुत दूर होती हैं, इसलिए सरल द्वि-पास और उच्च-पास फिल्टर का उपयोग द्विध्रुवीय के रूप में करना उचित है।
एक ट्रांसमीटर और अनुनाद प्राप्त करने के रूप में, यह एक उच्च ऊर्जा हस्तांतरण दक्षता (दक्षता) के साथ एक डिजाइन का उपयोग करने का निर्णय लिया गया था, जो इसके अलावा, गीगाहर्ट्ज़ आवृत्ति रेंज में एक संचारण और प्राप्त करने वाले एंटीना के रूप में प्रभावी रूप से उपयोग किया जा सकता है।
अनुनाद का डिजाइन इलेक्ट्रोडायनामिक मॉडलिंग का उपयोग करके किया गया था।
अनुनादक के डिजाइन का एक उदाहरण चित्र 2 में दिखाया गया है।

चित्रा 2 - एन = 5 पर गुंजयमान यंत्र का डिजाइन, दो श्रेणियों में काम कर रहा है।

कटआउट सर्पिल में सममित रूप से बने होते हैं, जिसके अंत में संपर्क पैड बनाए जाते हैं। पैड के बीच, इंडक्शन L0 और कैपेसिटर C0 सेट किए जाते हैं। कम आवृत्ति पर प्रेरण शॉर्ट सर्किट के बराबर है, और निष्क्रिय करने के लिए समाई है। एक उच्च आवृत्ति पर, अधिष्ठापन निष्क्रिय के बराबर है, और समाई शॉर्ट सर्किट के बराबर है।
जैसा कि आप देख सकते हैं, प्रत्येक ऑपरेटिंग आवृत्ति पर गुंजयमान यंत्र के प्रस्तावित डिजाइन में, दोनों चैनल एक दूसरे को प्रभावित नहीं करते हैं, क्योंकि वे दूसरे चैनल के ऑपरेटिंग आवृत्ति पर "छोटा" हैं। यह दृष्टिकोण आपको एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से सर्किट इनपुट चैनल डिजाइन करने की अनुमति देता है।

गुंजयमान यंत्र प्राप्त करने और संचारित करने के प्रयोगात्मक नमूनों का उत्पादन
फिर, मिलान सर्किटों के साथ प्राप्तकर्ताओं और प्रेषित अनुनादों की टोपोलॉजी प्रस्तावित की गई (चित्र 3) [11]।
लाल रेखाएं मुद्रित सर्किट बोर्ड की ऊपरी परत के धातुकरण से मेल खाती हैं, हरे रंग की लाइनें निचली परत के धातुकरण के लिए, और मुद्रित सर्किट बोर्ड की सीमाओं के लिए नीली रेखाओं से मेल खाती हैं। ग्रे पैड सतह माउंट तत्वों और शीर्ष परत में स्थित कनेक्टर्स के लिए पैड हैं।
गुंजयमान यंत्र एक ढांकता हुआ सब्सट्रेट पर स्थित हैं। सब्सट्रेट सामग्री के रूप में, FR4 का चयन किया गया था।

चित्र 3 - प्रेषित प्रतिध्वनि का टोपोलॉजी।

सूचना हस्तांतरण के साथ संयोजन में एक वायरलेस पावर ट्रांसमिशन सिस्टम का प्रायोगिक परीक्षण
प्रत्येक अनुनाद में मिलान सर्किट के तत्वों को स्थापित करने के बाद, डेटा ट्रांसमिशन के साथ वायरलेस ऊर्जा ट्रांसमिशन सिस्टम का एक प्रायोगिक परीक्षण किया गया था। प्रत्येक अनुनाद चैनल में जटिल प्रतिबिंब गुणांक मापा गया, साथ ही साथ एक Agilent E5071C वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक का उपयोग करके सिस्टम में प्रत्येक चैनल के लिए संचरण गुणांक।
दो अध्ययन किए गए रेंज में प्राप्त प्रतिध्वनि के प्रतिबिंब गुणांक के मापा आवृत्ति निर्भरता चित्र 4 में प्रस्तुत किए गए हैं।

चित्र 4 - सूचना स्थानांतरण के आवृत्तियों पर प्राप्त प्रतिध्वनि के प्रतिध्वनि के गुणांक के मापक निर्भरता ए) ऊर्जा अंतरण की आवृत्तियों पर, बी)।

एक ट्रांसमिशन गुंजयमान यंत्र की भी दो आवृत्ति रेंज में जांच की गई थी। प्रेषित प्रतिध्वनि के परावर्तन गुणांक के मापा आवृत्ति निर्भरता चित्र 5 में प्रस्तुत किए गए हैं।

चित्र 5 - सूचना हस्तांतरण की आवृत्तियों पर ऊर्जा हस्तांतरण की आवृत्ति, ख) पर प्रेषित प्रतिध्वनि (ए) संचारित प्रतिध्वनि के प्रतिबिंब गुणांक के मापा आवृत्ति निर्भरता।
अनुनाद प्राप्त करने और प्रसारित करने वाले दोनों चैनलों के ऑपरेटिंग आवृत्तियों पर, मिलान (-10 डीबी) के आवश्यक स्तर को प्राप्त किया जाता है, जो मिलान सर्किट (संतुलित ट्रांसफार्मर) की गणना की शुद्धता की पुष्टि करता है।
सिस्टम के ट्रांसमिशन गुणांक को मापने के परिणाम चित्र 6 में प्रस्तुत किए गए हैं।

चित्रा 6 - 1.5 सेमी के गुंजयमान यंत्र (एक ठोस रेखा द्वारा दिखाए गए), 1 सेमी की दूरी के साथ दूरी के बीच की दूरी के साथ दो गुंजयमान यंत्रों की एक प्रणाली के संचरण गुणांक के माप की आवृत्ति निर्भरता।

2.4 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर डेटा ट्रांसमिशन चैनल में संचरण गुणांक -25 डीबी के स्तर से ऊपर होता है, जो आधुनिक डिजिटल डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम के विश्वसनीय रिसेप्शन के लिए पर्याप्त से अधिक है, क्योंकि डेटा ट्रांसमिट करते समय लगभग 0 डीबीएम (1 डब्ल्यूडब्ल्यू) की बहुत कम सिग्नल पावर उत्सर्जित होती है। ऊर्जा हस्तांतरण के दौरान (10 डब्ल्यू तक) और डिजिटल रिसीवर में 80 डीबीएम तक उच्च संवेदनशीलता होती है।
सिस्टम के ऊर्जा हस्तांतरण गुणांक का मापा मूल्य -3 डीबी था। यह ध्यान देने योग्य है कि एक आवृत्ति पर मिलान स्तर, उदाहरण के लिए, 13.56 मेगाहर्ट्ज लगभग -10 डीबी है, जो आवश्यकताओं को पूरा करता है। यदि एक बेहतर समझौता हासिल किया जाता है, जो व्यावहारिक रूप से प्रतिबिंब के नुकसान को समाप्त करता है, तो दक्षता कम से कम 70% होगी, जो कि 1.5 सेमी से अधिक नहीं के गुंजयमान यंत्रों के बीच की दूरी के साथ होगी।
वायरलेस चार्जिंग सिस्टम का एक प्रदर्शन चित्र 7 में दिखाया गया है। जनरेटर 1 से एक हार्मोनिक सिग्नल ट्रांसमिशन मॉड्यूल को खिलाया जाता है। प्राप्त मॉड्यूल 3 में, ईएमएफ चर प्रेरित होता है, जो कि स्कूटी डायोड और एलईडी द्वारा शक्तियों को सुधारा जाता है।

चित्र 7 फोटो विकसित गुंजयमान यंत्रों का उपयोग कर वायरलेस चार्जिंग प्रणाली के संचालन को प्रदर्शित करता है।

वाणिज्यिक स्मार्टफोन के साथ उपयोग के लिए विकसित वायरलेस चार्जिंग सिस्टम का प्रदर्शन भी था। चित्र 8 सैमसंग गैलेक्सी स्मार्टफोन की चार्जिंग प्रक्रिया को दर्शाता है।

चित्रा 8 एक विकसित प्रोटोटाइप कॉन्टैक्टलेस चार्जिंग सिस्टम के साथ सैमसंग स्मार्टफोन चार्ज करने की तस्वीर।

निष्कर्ष
लेख में वर्णित विकास चरण में, गैर-संपर्क ऊर्जा हस्तांतरण के साथ डेटा हस्तांतरण को लागू करने की संभावना की जांच की गई थी। अध्ययन के परिणामों के आधार पर, तकनीकी समाधान के आगे के विकास के लिए, एक प्रणाली का चयन किया गया था जो दो गैर-एकाधिक ऑपरेटिंग आवृत्तियों पर ऊर्जा हस्तांतरण और सूचना विनिमय के लिए एक प्रतिध्वनि का उपयोग करता है, क्योंकि इस प्रकार की प्रणाली में सबसे छोटे आयाम हैं और एक उच्च गति हस्तांतरण गति प्रदान करता है।
गैर-संपर्क ऊर्जा हस्तांतरण के साथ एक साथ डेटा ट्रांसमिशन करने के लिए, प्राप्तकर्ताओं और संचारित अनुनादकों का एक दो-बैंड डिजाइन विकसित किया गया था। विद्युत सर्किट विकसित किए गए हैं जो ऑपरेटिंग रेंज में रेज़ोनरेटर्स के इनपुट प्रतिबाधा को आपूर्ति लाइनों के प्रतिबाधा के साथ मेल खाते हैं। गुंजयमान यंत्रों की प्रस्तावित डिजाइन एक दूसरे पर ऊर्जा और सूचना प्रसारण के चैनलों के प्रभाव को समाप्त करती है।
प्रायोगिक अनुनाद नमूने बनाए गए थे। माप के परिणामस्वरूप, गुंजयमान यंत्र के मिलान स्तर को मापा गया, साथ ही साथ दो ऑपरेटिंग रेंज में सिस्टम की दक्षता भी।
वर्तमान में, सूचना के प्रसारण के साथ संयोजन में एक ऊर्जा संचरण प्रणाली का विकास जारी है।
रिपोर्ट लेखक: विकास टीम

संदर्भ
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