Acoplamiento inductivo resonante

El acoplamiento inductivo resonante o acoplamiento sincrónico de fase magnética ^{[4] [5]} es un fenómeno con acoplamiento inductivo en el que el acoplamiento se vuelve más fuerte cuando el lado "secundario" (que soporta la carga) de la bobina acoplada de manera flexible resuena. ^[5] Un transformador resonante de este tipo se utiliza a menudo en circuitos analógicos como filtro de paso de banda . El acoplamiento inductivo resonante también se utiliza en sistemas de energía inalámbricos para computadoras portátiles, teléfonos y vehículos.

Existen varios sistemas de acoplamiento resonante en uso o en desarrollo para sistemas de electricidad inalámbrica de corto alcance (hasta 2 metros) ^{[6] para alimentar computadoras portátiles, tabletas, teléfonos inteligentes,} aspiradoras robot , dispositivos médicos implantados y vehículos como automóviles eléctricos, trenes SCMaglev ^[7] y vehículos guiados automatizados . ^[8] Las tecnologías específicas incluyen:

• WiTricity
• Residencia
• Acoplado electrónicamente
• Enlace de energía resonante inalámbrica (WREL)

Otras aplicaciones incluyen:

• Transmisión de datos como, por ejemplo, con etiquetas RFID pasivas (por ejemplo, en un pasaporte ) y tarjetas inteligentes sin contacto .
• Transformador resonante de un inversor de potencia que alimenta una lámpara fluorescente de cátodo frío .
• Acoplar las etapas de un receptor superheterodino , donde la selectividad del receptor es proporcionada por transformadores sintonizados en los amplificadores de frecuencia intermedia . ^{[9] [ ¿por qué? ]}
• Fuentes de alto voltaje (un millón de voltios) para la producción de rayos X. ^{[ cita requerida ]}

La bobina de Tesla es un circuito transformador resonante utilizado para generar voltajes muy altos, y es capaz de proporcionar una corriente mucho mayor que las máquinas electrostáticas de alto voltaje como el generador Van de Graaff . ^[10]　Sin embargo, este tipo de sistema irradia la mayor parte de su energía al espacio vacío, a diferencia de los sistemas de energía inalámbricos modernos que desperdician muy poca energía.

Los transformadores resonantes se utilizan ampliamente en circuitos de radio como filtros de paso de banda y en fuentes de alimentación conmutadas.

En 1894, Nikola Tesla utilizó el acoplamiento inductivo resonante, también conocido como "inducción electrodinámica" para encender de forma inalámbrica lámparas fosforescentes e incandescentes en el laboratorio de 35 South Fifth Avenue y, más tarde, en el laboratorio de 46 E. Houston Street en la ciudad de Nueva York. ^{[11] [12] [13]} En 1897 patentó un dispositivo ^{[14] llamado} transformador resonante de alto voltaje o " bobina de Tesla ". Al transferir energía eléctrica de la bobina primaria a la bobina secundaria por inducción resonante, una bobina de Tesla es capaz de producir voltajes muy altos a alta frecuencia . El diseño mejorado permitió la producción y utilización segura de corrientes eléctricas de alto potencial, "sin riesgo grave de destrucción del aparato en sí y peligro para las personas que se acercan a él o lo manipulan".

A principios de la década de 1960, la transferencia de energía inalámbrica inductiva resonante se utilizó con éxito en dispositivos médicos implantables ^[15], incluidos dispositivos como marcapasos y corazones artificiales. Si bien los primeros sistemas utilizaban una bobina receptora resonante, los sistemas posteriores ^[16] también implementaron bobinas transmisoras resonantes. Estos dispositivos médicos están diseñados para una alta eficiencia utilizando electrónica de baja potencia, al mismo tiempo que se adaptan de manera eficiente a cierta desalineación y torsión dinámica de las bobinas. La separación entre las bobinas en aplicaciones implantables es comúnmente inferior a 20 cm. Hoy en día, la transferencia de energía inductiva resonante se utiliza regularmente para proporcionar energía eléctrica en muchos dispositivos médicos implantables disponibles comercialmente. ^[17]

La transferencia de energía eléctrica inalámbrica para alimentar experimentalmente automóviles y autobuses eléctricos es una aplicación de mayor potencia (>10 kW) de transferencia de energía inductiva resonante. Se requieren altos niveles de potencia para una recarga rápida y se requiere una alta eficiencia de transferencia de energía tanto para la economía operativa como para evitar el impacto ambiental negativo del sistema. Una pista de prueba de carretera electrificada experimental construida alrededor de 1990 logró justo por encima del 60% de eficiencia energética al recargar la batería de un autobús prototipo en una parada de autobús especialmente equipada. ^{[18] [19]} El autobús podría estar equipado con una bobina receptora retráctil para una mayor distancia entre la bobina y la bobina receptora cuando se mueve. El espacio entre las bobinas de transmisión y recepción se diseñó para ser inferior a 10 cm cuando está encendido. Además de los autobuses, el uso de la transferencia inalámbrica se ha investigado para recargar automóviles eléctricos en estacionamientos y garajes también.

Algunos de estos dispositivos inductivos resonantes inalámbricos funcionan a niveles de potencia bajos en milivatios y funcionan con baterías. Otros funcionan a niveles de potencia más altos en kilovatios. Los diseños actuales de dispositivos médicos y de electrificación vial implantables logran una eficiencia de transferencia superior al 75 % a una distancia operativa entre las bobinas de transmisión y recepción de menos de 10 cm. ^{[ cita requerida ]}

En 1993, el profesor John Boys y el profesor Grant Covic, de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda, desarrollaron sistemas para transferir grandes cantidades de energía a través de pequeños espacios de aire. ^{[4] [5] [20]} Se pusieron en uso práctico como la grúa móvil y la fuente de alimentación sin contacto de AGV en Japón. ^[8] En 1998, se patentaron etiquetas RFID que se alimentaban de esta manera. ^[21]

En noviembre de 2006, Marin Soljačić y otros investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts aplicaron este comportamiento de campo cercano a la transmisión de energía inalámbrica, basándose en resonadores fuertemente acoplados. ^{[22] [23] [24]} En un análisis teórico, ^[25] demuestran que, al diseñar resonadores electromagnéticos que sufren una pérdida mínima debido a la radiación y la absorción y tienen un campo cercano con una extensión de rango medio (es decir, unas pocas veces el tamaño del resonador), es posible una transferencia de energía inalámbrica eficiente de rango medio. La razón es que, si dos de estos circuitos resonantes sintonizados a la misma frecuencia están dentro de una fracción de una longitud de onda, sus campos cercanos (que consisten en " ondas evanescentes ") se acoplan por medio del acoplamiento de ondas evanescentes . Las ondas oscilantes se desarrollan entre los inductores, lo que puede permitir que la energía se transfiera de un objeto al otro en tiempos mucho más cortos que todos los tiempos de pérdida, que fueron diseñados para ser largos, y por lo tanto con la máxima eficiencia de transferencia de energía posible. Como la longitud de onda resonante es mucho mayor que la de los resonadores, el campo puede sortear objetos extraños en las proximidades y, por lo tanto, este esquema de transferencia de energía de rango medio no requiere línea de visión. Al utilizar en particular el campo magnético para lograr el acoplamiento, este método puede ser seguro, ya que los campos magnéticos interactúan débilmente con los organismos vivos.

Apple Inc. solicitó una patente sobre la tecnología en 2010, después de que WiPower lo hiciera en 2008. ^[26]

En el pasado, la fuente de energía utilizada en el vehículo SCMaglev de JR Tokai se generaba con un generador de turbina de gas. En 2011, lograron cargar mientras se conducía (CWD: charge while driving) a través de un gran espacio libre mediante la tecnología de sincronización de fase de 9,8 kHz patentada por JR Tokai, desarrollada en base a una tecnología similar al esquema de energía inalámbrica del AGV. Y el Ministerio de Tierra, Infraestructura y Transporte japonés evaluó la tecnología ya que se habían resuelto todos los problemas para su uso práctico. ^[27] La ​​construcción del SCMaglev comenzó y el uso comercial comenzará en 2027. ^[28]

Los inductores acoplados no resonantes , como los transformadores típicos , funcionan según el principio de una bobina primaria que genera un campo magnético y una bobina secundaria que subtiende la mayor parte posible de ese campo, de modo que la potencia que pasa por la secundaria sea lo más parecida posible a la del primario. Este requisito de que el campo esté cubierto por el secundario da como resultado un alcance muy corto y, por lo general, requiere un núcleo magnético . En distancias mayores, el método de inducción no resonante es altamente ineficiente y desperdicia la gran mayoría de la energía en pérdidas resistivas de la bobina primaria.

El uso de la resonancia puede ayudar a mejorar la eficiencia de manera espectacular. Si se utiliza el acoplamiento resonante, la bobina secundaria se carga capacitivamente para formar un circuito LC sintonizado. Si la bobina primaria se activa a la frecuencia resonante del lado secundario, resulta que se puede transmitir una potencia significativa entre las bobinas en un rango de unas pocas veces los diámetros de las bobinas con una eficiencia razonable. ^[29]

En comparación con los costos asociados con las baterías, en particular las baterías no recargables, los costos de las baterías son cientos de veces más altos. En situaciones en las que hay una fuente de energía disponible cerca, puede ser una solución más económica. ^[30] Además, mientras que las baterías necesitan mantenimiento y reemplazo periódicos, se puede utilizar en su lugar la transferencia de energía resonante. Las baterías, además, generan contaminación durante su construcción y su eliminación, que se evita en gran medida.

A diferencia de los equipos conectados a la red eléctrica, no se necesita una conexión eléctrica directa y, por lo tanto, el equipo puede sellarse para minimizar la posibilidad de descarga eléctrica.

Debido a que el acoplamiento se logra utilizando campos predominantemente magnéticos, la tecnología puede ser relativamente segura. Existen estándares y directrices de seguridad en la mayoría de los países para exposiciones a campos electromagnéticos (por ejemplo, ICNIRP ^{[31] [32]} ). El que el sistema pueda cumplir con las directrices o los requisitos legales menos estrictos depende de la potencia suministrada y el alcance del transmisor. El campo B máximo recomendado es una función complicada de la frecuencia, las directrices de ICNIRP, por ejemplo, permiten campos RMS de decenas de microteslas por debajo de 100 kHz, cayendo con la frecuencia a 200 nanoteslas en VHF, y niveles más bajos por encima de 400 MHz, donde las partes del cuerpo pueden soportar bucles de corriente comparables a una longitud de onda en diámetro, y la absorción de energía del tejido profundo alcanza un máximo.

Los sistemas utilizados ya generan campos magnéticos, por ejemplo, las cocinas de inducción en el rango de decenas de kHz, donde se permiten campos elevados, y los lectores de tarjetas inteligentes sin contacto , donde es posible una frecuencia más alta porque las energías requeridas son menores.

Un estudio para el ejército sueco descubrió que los sistemas de 85 kHz para transferencia de energía inalámbrica dinámica para vehículos pueden causar interferencias electromagnéticas en un radio de hasta 300 kilómetros. ^[33]

Este proceso ocurre en un transformador resonante , un componente eléctrico cuyo transformador consta de una bobina de alto Q enrollada en el mismo núcleo con un capacitor conectado a través de una bobina para formar un circuito LC acoplado .

El acoplamiento inductivo resonante más básico consiste en una bobina de accionamiento en el lado primario y un circuito de resonancia en el lado secundario. ^{[34] [5] [2]} En este caso, cuando se observa el estado resonante en el lado secundario desde el lado primario, se observan dos resonancias como un par. ^{[35] [5]} Una de ellas se llama frecuencia antirresonante (frecuencia de resonancia paralela 1), y la otra se llama frecuencia resonante (frecuencia de resonancia en serie 1'). ^[5] La inductancia de cortocircuito y el condensador resonante de la bobina secundaria se combinan en un circuito resonante. ^{[36] [5]} Cuando la bobina primaria se acciona con una frecuencia resonante (frecuencia de resonancia en serie) del lado secundario, las fases de los campos magnéticos de la bobina primaria y la bobina secundaria se sincronizan. ^[5] Como resultado, se genera el voltaje máximo en la bobina secundaria debido al aumento del flujo mutuo, y se reduce la pérdida de cobre de la bobina primaria, se reduce la generación de calor y se mejora relativamente la eficiencia. ^[2] El acoplamiento inductivo resonante es la transmisión inalámbrica de campo cercano de energía eléctrica entre bobinas acopladas magnéticamente, que es parte de un circuito resonante sintonizado para resonar a la misma frecuencia que la frecuencia de activación.

En el transformador, solo una parte del flujo generado por la corriente a través de la bobina primaria se acopla a la bobina secundaria y viceversa. La parte que se acopla se llama flujo mutuo y la parte que no se acopla se llama flujo de fuga . ^[37] Cuando el sistema no está en estado de resonancia, esto lleva a que el voltaje de circuito abierto que aparece en el secundario sea menor que el predicho por la relación de vueltas de las bobinas. El grado de acoplamiento se captura mediante un parámetro llamado coeficiente de acoplamiento . El coeficiente de acoplamiento, k , se define como la relación entre la relación de voltaje de circuito abierto del transformador y la relación que se obtendría si todo el flujo se acoplara de una bobina a la otra. Sin embargo, si no es circuito abierto, la relación de flujo cambiará. El valor de k se encuentra entre 0 y ±1. Cada inductancia de bobina se puede dividir nocionalmente en dos partes en las proporciones k :(1− k ) . Estas son respectivamente una inductancia que produce el flujo mutuo y una inductancia que produce el flujo de fuga.

El coeficiente de acoplamiento es una función de la geometría del sistema. Está determinado por la relación posicional entre las dos bobinas. El coeficiente de acoplamiento no cambia cuando el sistema está en estado de resonancia y cuando no lo está, o incluso si el sistema está en estado de resonancia y se genera un voltaje secundario mayor que la relación de vueltas. Sin embargo, en el caso de resonancia, la relación de flujo cambia y el flujo mutuo aumenta.

Los sistemas resonantes se denominan acoplados fuertemente, acoplados débilmente, acoplados críticamente o sobreacoplados. El acoplamiento fuerte es cuando el coeficiente de acoplamiento es de alrededor de 1, como en los transformadores de núcleo de hierro convencionales. El sobreacoplamiento es cuando la bobina secundaria está tan cerca que la formación de flujo mutuo se ve obstaculizada por el efecto de la antiresonancia, y el acoplamiento crítico es cuando la transferencia en la banda de paso es óptima. El acoplamiento débil es cuando las bobinas están distantes entre sí, de modo que la mayor parte del flujo no llega a la secundaria. En las bobinas de Tesla se utiliza alrededor de 0,2, y a distancias mayores, por ejemplo para la transmisión de energía inalámbrica inductiva, puede ser inferior a 0,01.

Generalmente, la ganancia de voltaje de las bobinas acopladas no resonantes es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la relación de las inductancias secundarias y primarias.

${\displaystyle A=k{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,}$

Sin embargo, si se encuentra en estado de acoplamiento resonante, se genera una tensión más alta. La inductancia de cortocircuito L _sc2 en el lado secundario se puede obtener mediante la siguiente fórmula.

${\displaystyle L_{sc2}=(1-k^{2})\cdot {L_{2}}}$

La inductancia de cortocircuito L _sc2 y el condensador de resonancia Cr en el lado secundario resuenan. La frecuencia de resonancia ω ₂ es la siguiente.

${\displaystyle \omega _{2}={1 \sobre {\sqrt {L_{sc2}C_{r}}}}={1 \sobre {\sqrt {(1-k^{2})\cdot {L_{2}}C_{r}}}}}$

Suponiendo que la resistencia de carga es Rl, el valor Q del circuito de resonancia secundaria es el siguiente.

${\displaystyle Q_{2}=R_{l}{\sqrt {\frac {C_{r}}{L_{sc2}}}}\,}$

El voltaje generado en el condensador de resonancia Cr en el pico de la frecuencia de resonancia es proporcional al valor Q. Por lo tanto, la ganancia de voltaje Ar de la bobina secundaria con respecto a la bobina primaria cuando el sistema está en resonancia,

${\displaystyle A_{r}=kQ_{2}{\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}\,}$

En el caso del tipo PP, Q1 no contribuye a la ganancia de voltaje.

La resonancia magnética de tipo WiTricity se caracteriza porque las bobinas resonantes del lado primario y las bobinas resonantes del lado secundario están emparejadas. La bobina resonante primaria aumenta la corriente de la bobina de excitación primaria y aumenta el flujo magnético generado alrededor del resonador primario. Esto es equivalente a excitar la bobina primaria a alto voltaje. En el caso del tipo de la figura de la izquierda, el principio general es que si se coloca una cantidad de energía oscilante dada (por ejemplo, un pulso o una serie de pulsos) en una bobina primaria que está cargada capacitivamente, la bobina "sonará" y formará un campo magnético oscilante.

La transferencia resonante funciona haciendo que una bobina suene con una corriente oscilante. Esto genera un campo magnético oscilante . Debido a que la bobina es altamente resonante, cualquier energía colocada en la bobina se desvanece relativamente lentamente a lo largo de muchos ciclos; pero si se acerca una segunda bobina, la bobina puede recoger la mayor parte de la energía antes de que se pierda, incluso si está a cierta distancia. Los campos utilizados son predominantemente no radiativos, campos cercanos (a veces llamados ondas evanescentes ), ya que todo el hardware se mantiene dentro de la distancia de 1/4 de longitud de onda, irradian poca energía desde el transmisor hasta el infinito.

La energía se transferirá de ida y vuelta entre el campo magnético en el inductor y el campo eléctrico a través del capacitor a la frecuencia resonante. Esta oscilación se desvanecerá a una velocidad determinada por el ancho de banda de ganancia ( factor Q ), principalmente debido a pérdidas resistivas y radiativas. Sin embargo, siempre que la bobina secundaria corte una parte suficiente del campo para absorber más energía de la que se pierde en cada ciclo de la bobina primaria, entonces la mayor parte de la energía aún se puede transferir.

Debido a que el factor Q puede ser muy alto (experimentalmente se ha demostrado alrededor de mil ^[38] con bobinas con núcleo de aire ), solo un pequeño porcentaje del campo tiene que estar acoplado de una bobina a la otra para lograr una alta eficiencia, incluso aunque el campo muere rápidamente con la distancia desde una bobina, el primario y el secundario pueden estar separados por varios diámetros.

Se puede demostrar que una cifra de mérito para la eficiencia es: ^[39]

${\displaystyle U=k{\sqrt {Q_{1}Q_{2}}}}$

Donde Q ₁ y Q ₂ son los factores Q de las bobinas fuente y receptora respectivamente, y k es el coeficiente de acoplamiento descrito anteriormente.

Y la máxima eficiencia alcanzable es: ^[39]

${\displaystyle \eta _{opt}={\frac {U^{2}}{(1+{\sqrt {1+U^{2}}})^{2}}}}$

Debido a que la Q puede ser muy alta, incluso cuando se alimenta poca potencia a la bobina del transmisor, se genera un campo relativamente intenso a lo largo de varios ciclos, lo que aumenta la potencia que se puede recibir (en resonancia hay mucha más potencia en el campo oscilante de la que se alimenta a la bobina, y la bobina receptora recibe un porcentaje de esa potencia).

A diferencia del secundario de múltiples capas de un transformador no resonante, las bobinas para este propósito son a menudo solenoides de una sola capa (para minimizar el efecto pelicular y dar un Q mejorado ) en paralelo con un capacitor adecuado. Las geometrías de resonador alternativas incluyen resonadores de alambre Litz enrollados en onda y de espacio de bucle (LGR) . En los resonadores basados ​​en alambre Litz, el aislamiento está ausente o se utilizan materiales de baja permitividad y baja pérdida como la seda para minimizar las pérdidas dieléctricas. ^{[ cita requerida ]} Las geometrías LGR tienen la ventaja de que los campos eléctricos fuera de la estructura del resonador son muy débiles, lo que minimiza la exposición humana a los campos eléctricos y hace que la eficiencia de transferencia de energía sea insensible a los dieléctricos cercanos. ^{[ 40 ]}

Para alimentar progresivamente la energía a la bobina primaria con cada ciclo, se pueden utilizar diferentes circuitos. Un circuito emplea un oscilador Colpitts . ^[38]

En las bobinas de Tesla se utiliza un sistema de conmutación intermitente, un "controlador de circuito" o "interruptor", para inyectar una señal impulsiva en la bobina primaria; luego la bobina secundaria suena y se desintegra. ^{[ cita requerida ]}

Las bobinas receptoras secundarias tienen diseños similares a las bobinas transmisoras primarias. Hacer funcionar la secundaria a la misma frecuencia de resonancia que la primaria garantiza que la secundaria tenga una baja impedancia en la frecuencia del transmisor y que la energía se absorba de manera óptima.

Para extraer energía de la bobina secundaria se pueden utilizar diferentes métodos, se puede utilizar la corriente alterna directamente o rectificada y se puede utilizar un circuito regulador para generar voltaje continuo.

• Acoplamiento de ondas evanescentes
• Inductancia
• Inductancia de cortocircuito
• Torre Wardenclyffe

• Las tapas de alcantarilla de Nueva York ocultan cargadores de resonancia
• IEEE Spectrum: una mirada crítica a la energía inalámbrica
• Intel: cortando el último cable, energía inalámbrica
• Yahoo News: Intel corta los cables eléctricos con un sistema de energía inalámbrica
• BBC News: El fin de los cables eléctricos espaguetis
• "Página de inicio de Marin Soljačić (líder del equipo de investigadores) en el MIT".
• Jonathan Fildes (7 de junio de 2007). "La promesa de la energía inalámbrica cobra fuerza". BBC News .
• JR Minkel (7 de junio de 2007). "Bombilla de energía inalámbrica encendida a siete pies de distancia". Scientific American .
• Katherine Noyes (8 de junio de 2007). "Los magos del MIT lanzan electricidad por el aire". TechNewsWorld.
• Chris Peredun, Kristopher Kubicki (11 de junio de 2007). "Ingenieros del MIT presentan un sistema de energía inalámbrica". DailyTech . Archivado desde el original el 12 de enero de 2013.
• "Material en línea de apoyo para la transferencia de energía inalámbrica a través de resonancias magnéticas fuertemente acopladas". Revista Science.
• Gary Peterson (6 de agosto de 2008). "Anticipando la witricidad". Libros del siglo XXI.
• Biografía de William C. Brown en el sitio web de IEEE MTT-S
• Anuradha Menon (14 de noviembre de 2008). "Demostración de la tecnología de energía inalámbrica de Intel". Revista electrónica The Future of Things . Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2010.

• Rezence – sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por la Alliance for Wireless Power
• Qi : sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por el Consorcio de Energía Inalámbrica
• PMA : sitio oficial de un estándar de energía inalámbrica promovido por Power Matters Alliance
• Instructables: energía inalámbrica