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Cargador Inalámbrico de celular, Principios de Funcionamiento, y leyes que lo rigen. Jhon Uquillas A. Departamento de Eléctrica y Electrónica, Universidad de las Fuerzas Fuerza s Armadas Sangolquí-Ecuador
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Resumen — La carga inalámbrica es la última tendencia en
tecnología móvil, y es la comodidad que permite al usuario lo que ha llevado a un gran incremento en el mercado de estos dispositivos. Aunque esta tecnología ya fue expuesta en la década de los 90 es hasta ahora cuando se ha consolidado debido a las mejoras en desarrollo y optimización del producto, su funcionamiento se basa en varias leyes del electromagnetismo electromagnetismo que describen la trasmisión de energía energía de un medio a otro sin necesidad de estar en contacto. Abstract — Wireless charging is the latest trend in mobile technology, and it is the convenience that allows the user which has led to a large increase in the market for these devices. Although this technology was already exposed in the 90's is until now when it has consolidated due to improvements in development and optimization of the product, its operation is based on the laws of electromagnetism electromagnetism that describe the transmission of energy from one medium to another Without needing to be in contact.
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I. INTRODUCCIÓN.
a transferencia inalámbrica de energía representa un conjunto de tecnologías que permiten transferir energía mediante el uso de campos electromagnéticos variables. [1] Como en todo sistema electrónico, cuenta de un emisor normalmente conectado a la red eléctrica y receptor libre de cables que receptara la energía.
Figura 1. Celular en sistema de carga inalámbrica. Fuente: Introducing Wireless charging. (2015)
Para llevar a cabo la carga inalámbrica de un celular existen varias tecnologías que difieren en características como el alcance banda de trasmisión y tipo de acople (tabla 1). Tecnología
Alcance
Frecuencia
Antena
Acople Inductivo
Medio
Hz - Ghz
Acople Capacitivo Magnetodinámica Microondas Ondas Lumínicas
Corto Corto Largo Largo
KHz - MHz Hz GHz THz
Bobinas sintonizadas, resonadores Electrodos Magnetos rotatorios Parabólicas Lasers, lentes, fotocélulas
Tabla 1. Tecnologías de transferencia inalámbrica de energía. Fuente: N, Alves., Wireless QI Charger, UDELAR (2015).
II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de un cargador inalámbrico inalámbrico se basa en el principio del electromagnetismo, electromagnetismo, que indica que una carga y corriente variables en el tiempo generan campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo, dependiendo de la tecnología usada la energía se trasmite de distinta manera, en el caso de un acople capacitivo (inducción electrostática) por medio de electrodos, o en el caso de la trasmisión vía acople inductivo (inducción electromagnética) que es el más usado para móviles debido a las facilidades que presenta y el bajo costo de producción [1]. III. I NDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA: La energía transmitida en un sistema de inducción electromagnética se da cuando se tienen 2 bobinas (primaria y secundaria), si la bobina primaria se alimenta con una corriente variable genera un campo magnético variable (según la Ley de
2 Ampere1) en el primer devanado, al mismo tiempo se establece un flujo magnético en el segundo devanado, el cual por la ley de inducción de Faraday 2 inducirá una fuerza electromotriz (FEM) medida en Volts, (dependiendo del acoplamiento magnético) lo cual produce potencia en la bobina secundaria. (Figura 2). [2]
Figura 3. Esquema de Acople entre bobinas. Fuente: Wireless Power Consortium
Figura 2. Induction Electromagnetic. Fuente: Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Standards, and Network Applications
Este principio es el que se presenta en los transformadores convencionales, por esto un cargador con esta tecnología puede ser considerado como un transformador con un núcleo de Aire. El principio de acoplamiento inductivo es el que se usa en un transformador convencional en este caso el núcleo seria el aire. A) Acoplamiento Magnético: Se produce cuando el campo magnético de un objeto (bobina primaria) interactúa con otro objeto (bobina secundaria) e induce una corriente eléctrica en el segundo objeto, generando una corriente eléctrica variable. De esta manera se realiza la transmisión de energía. B) Inductancia Mutua y Coeficiente de Acoplamiento: El acoplamiento magnético depende de las características físicas de las bobinas (forma, tamaño, relación de tamaño entre ellos y número de vueltas), en la figura 3, se aprecia la relación de embobinados y la forma en que se trasmite la energía, entre 2 bobinas L1 y L2 la relación que permite el acoplamiento viene dado por el coeficiente de acoplamiento k definido por = , (figura 4) donde M representa la inductancia √ 1 2
mutua entre las dos bobinas. [2] Teóricamente k =1 significa que si ambos embobinados tienen igual diámetro y se encuentran sobre el mismo eje tan cerca como sea posible el uno del otro, el flujo transferido será del 100%, este concepto permite que un celular sea cargado con tal eficiencia usando un cargador inalámbrico de este tipo.
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Ley de Ampere: Indica que el campo magnético generado es directamente proporcional a la corriente neta encerrada en el conductor. ∮ . = 2 Ley de Inducción de Faraday: El voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en
Figura 4. Inductancia Mutua entre Bobinas. Fuente: Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Standards, and Network Applications. [3]
Esta etapa de transmisión de energía representa solo un bloque de un sistema de carga inalámbrica, a esto se une la parte de conversión y regulación de voltajes correspondiente a la parte electrónica, de forma general se ilustra en la figura 5 un sistema de carga inalámbrico.
Figura 5. Sistema de Carga Inalámbrica. Fuente: Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Standards, and Network Applications. [4]
De esta forma el celular tendría que llevar un circuito electrónico que regularía la energía para ser usada por el móvil, acompañado de una bobina que recepta la energía todo integrado en la carcasa del celular. Viendo esta necesidad y en base a los conceptos analizados anteriormente se estableció un estándar definido como QI, que es el que integra todas estas normas para carga inalámbrica y que el fabricante puede usar para el diseño de sus móviles. QI, es un estándar para implementar un sistema de transferencia de potencia a través de una superficie bien delimitada donde depositar el receptor, buscando un acople suficiente para alcanzar una eficiencia en la transferencia inalámbrica por encima del 86% [5]
el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde. = − , con Φ = ∫ .
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IV. CONCLUSIÓNES Si bien es cierto estos sistemas de carga inalámbrica presentan mayor facilidad al usuario al momento de cargar el móvil, también presenta muy poco ahorro de energía debido a la dispersión de la potencia en el ambiente. El sistema de carga inalámbrica ya fue expuesto en la década de los 90’s, sin embargo su uso to mo fuerza entre el
2010 con la mejora y optimización de los recursos.
El estándar QI permite generalizar la carga inalámbrica haciéndola compatible con los nuevos móviles e incluso permite adaptar móviles que no tengan esta tecnología. Las leyes básicas del electromagnetismo han permitido la evolución de la tecnología, presentando mayor comodidad al ser humano en sus labores diarias. El esquema general de un sistema de transmisión inalámbrica puede representarse como un transformador con núcleo de aire. El mayor reto en el diseño de un sistema de Carga Inalámbrica es optimización del espacio, y la velocidad de carga. Un sistema de carga inalámbrica es mucho más lento con respecto a los modos de carga general por cable, esto es debido a la corriente que se induce por lo general esta hasta máximo 1 A. Existen diseños de cargadores inalámbricos de carga rápida que llegan hasta 1.5 A, debido a que los acoplamientos requieren mayor detalle en el diseño.
V. R EFERENCIAS [1] N, Alves., C, Anza., & R, Espiga, “Wireless Qi Charger ”, Universidad de la Republica, Tesis de Grado, (2015) [2] B, Guru., & H, Hiziroglu., Maquinas Eléctricas y Transformadores, Tercera Edición. Oxford. [3] L, Shi., Z, Kabelac., D, Katabi, & D, Perreault., Wireless Power Hotspot that Charges All of Your Devices, MIT, USA. [4] X, Lu., P, Wang., D, Niyato., D, Kim., & Z, Han., Wireless Charging Technologies: Fundamentals, Universidad de Houston, Universidad de Alberta, (2015) [5] K, Siddabattula., System Architect bqTESLA Wireless Power Solutions TEXAS INSTRUMENTS, Sitio Web: https://www.wirelesspowerconsortium.com/data/downloadables/1/2/1/1/ why-not-a-wire-the-case-for-wireless-power.pdf
