João Filipe Vieira Aguiar Transferência de Energia sem fios para

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
João Filipe Vieira Aguiar
UMinho | 2013
de Energia sem fios para
João Filipe Vieira Aguiar Transferência
carregamento de baterias
Transferência de Energia sem fios para
carregamento de baterias
outubro de 2013
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
João Filipe Vieira Aguiar
Transferência de Energia sem fios para
carregamento de baterias
Tese de Mestrado
Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor José Gerardo Vieira da Rocha
outubro de 2013
“A life spent making mistakes is not only more honorable, but more useful than a life
spent doing nothing”
George Bernard Shaw
Agradecimentos
O trabalho aqui apresentado não teria sido possível e não seria realizado de
forma tão meticulosa e tão articulada se não fossem dois grupos de pessoas distintos. O
primeiro grupo, são aqueles que ajudaram de forma académica, dando a oportunidade
de integrar neste projeto e a evoluir como pessoa intelectualmente. O segundo grupo, é
destinado a todos os meus familiares e amigos que de variadas formas me mantiveram
com discernimento e concentração, ajudando-me a ultrapassar todas as dificuldades e a
encarar este novo desafio da melhor maneira possível, fazendo-me evoluir
emocionalmente. Assim, de uma forma geral, quero transmitir os meus mais sinceros
agradecimentos a todos que fizeram este trabalho possível.
De uma forma mais concreta, quero dirigir as minhas primeiras palavras de
agradecimento ao orientador desta dissertação, Professor Doutor Gerardo Rocha, que
propôs o presente trabalho, e me deu a oportunidade de integrar este projeto e a sua
equipa contribuindo assim para a minha aprendizagem.
Por terem dado uma grande ajuda em toda a planificação e orientação do projeto,
tal como na preparação de toda a componente laboratorial, uma palavra de especial
destaque para o Professor Senentxu e Vítor Correia, dois exemplos de empenho e
competência que gostaria de assinalar e agradecer de um modo muito particular.
Agradeço, aos técnicos e restantes pessoas do Departamento de Eletrónica
Industrial pela ajuda fornecida na execução desta dissertação.
Por último e não menos importante, uma enorme palavra de gratidão à minha
família, a todos no geral, mas mais concretamente aos meus pais, pela ajuda,
disponibilidade e compreensão durante todo o meu percurso académico. A eles, sou
muito grato pelo incentivo recebido ao longo destes anos, sou grato pela alegria e
atenção sem reservas. Se não fossem eles, não seria a pessoa que sou hoje. Muito
obrigado!
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho
iv
Resumo
Numa sociedade cada vez mais evoluída e num mundo tecnológico em constante
evolução, a comodidade e conforto na execução de tarefas torna-se cada vez mais
preponderante. Por isso, os aparelhos móveis têm sido algo de muito foco por parte dos
fabricantes e investigadores. Apesar das enormes vantagens que este tipo de aparelhos
móveis apresenta, há uma clara preocupação que os fabricantes têm tido sempre em
conta, que consiste na autonomia destes aparelhos.
É precisamente neste âmbito que o projeto de alimentação sem fios tem ganho
maior viabilidade. Por exemplo, tem-se na área da saúde os aparelhos de assistência
ventricular que requerem baterias externas e por isso cabos que atravessem o corpo
desde as baterias até ao aparelho de assistência ventricular. Assim, num cenário mais
evoluído, poder-se-ia imaginar o alojamento de baterias internas de menor capacidade
(menos volumosas) mas que fossem carregadas constantemente, por exemplo, quando o
paciente se encontrasse em repouso na cama, sendo que a cama seria o transmissor de
energia e estaria preparada para comunicar com o recetor de energia do aparelho do
cliente e assim haver troca de energia e consequente carregamento das baterias. Outro
exemplo, seria no uso dos “pacemaker´s”, que com a implementação desta tecnologia
seria possível efetuar o carregamento de tais baterias e assim evitar as intervenções
cirúrgicas para mudança de bateria ao fim de um período de tempo.
Com o intuito de contribuição na área, nesta dissertação foram estudadas duas
técnicas que caracterizam a tecnologia de alimentação sem fios, que são a transferência
de energia por indução magnética onde a transferência de energia é feita por meio
indutivo entre duas bobinas e a transferência de energia por acoplamento indutivo
ressonante onde a transferência de energia é realizada por meio de um forte
acoplamento eletromagnético a uma certa frequência.
Foram realizados diversos testes, onde através deles tentou-se demonstrar quais
as limitações e particularidades de uma e outra técnica, tendo em vista este tipo de
aplicações que requerem algumas exigências a nível de eficiência e volume do conjunto
físico. Com isto, o protótipo efetuou a transferência de energia sem fios e foi capaz de
carregar uma pequena bateria que pode, por exemplo, estar a alimentar em simultâneo
um aparelho elétrico de implante médico.
Pretendeu-se assim que o protótipo fosse funcional e que pudesse servir de base
para futuras aplicações.
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v
Resumo
Palavras-Chave: Energia sem fios, indução magnética, acoplamento indutivo
ressonante.
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vi
Abstract
In a society increasingly evolved and a constantly evolving technological world,
the convenience and comfort in performing tasks becomes increasingly prevalent.
Therefore, mobile devices have been something in focus by manufacturers and
researchers. Despite the enormous advantages that this type of mobile devices presents,
there is a clear concern that manufacturers have always taken into account, which is the
range of these devices.
It is precisely in this context that the power wireless project has gained greater
viability. For example, it has been in the health ventricular assistance devices that
require external batteries and cables so they pass through the body from the batteries to
the ventricular assistance device. This, in a more advanced scenario, could be
imaginable housing internal battery of smaller capacity (less massive), but they were
loaded continuously, for example, when patients are lying in the bed, and the bed would
transmitter energy and be prepared to communicate with the receiver power unit of the
client and so there exchange of energy and consequent charging of the batteries.
Another example would be the use of "pacemaker's” that with the implementation of
this technology would be possible to perform the loading and then prevent the battery
surgical interventions for battery change after a period of time.
With intention of contribution in this area, in this dissertation will be studied two
techniques that characterize the wireless power technology, which is the transfer of
energy by magnetic induction where the energy transfer is by means of two inductive
coils and the energy transfer where resonance energy transfer is accomplished by means
of a strong electromagnetic coupling at a certain frequency.
Will be performed several tests, which through them will try to show what
limitations and peculiarities of one and another technique, considering this kind of
applications that require few demands on efficiency and volume of all physical. With
this, the prototype will make the transfer of wireless energy and being capable of
carrying a small battery that could for example, be simultaneously feed an electric
medical implant.
It is intended that the prototype was functional and can served as a basis for
future improvements.
Keywords: wireless energy, magnetic induction, resonance energy.
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vii
Índice
Agradecimentos .......................................................................................................................... iv
Resumo ......................................................................................................................................... v
Abstract ...................................................................................................................................... vii
Lista de Figuras .......................................................................................................................... ix
Lista de Tabelas........................................................................................................................... x
Lista de Acrónimos .................................................................................................................... xi
Nomenclatura ............................................................................................................................ xii
Constantes .................................................................................................................................. xii
Capítulo 1 Introdução ................................................................................................................. 1
1.1 Enquadramento .................................................................................................................... 1
1.2 Motivação e Objetivos ......................................................................................................... 2
1.3 Organização e Estrutura da Dissertação .............................................................................. 3
1.4 Estado de Arte ..................................................................................................................... 4
1.4.1 Técnica por Acoplamento Indutivo Ressonante ........................................................... 5
1.4.2 Bio aplicações ............................................................................................................... 6
1.4.3 RFID ............................................................................................................................. 9
Capítulo 2 Fundamentos Teóricos ........................................................................................... 12
2.1 Indutores ............................................................................................................................ 12
2.2 Acoplamento das indutâncias ............................................................................................ 12
2.3 Eletromagnetismo .............................................................................................................. 13
2.3.1 Acoplamento Indutivo Ressonante ............................................................................. 14
2.3.2 Indução Mútua ............................................................................................................ 15
2.3.3 Espectro eletromagnético ............................................................................................ 17
2.4 Fórmula de Wheeler .......................................................................................................... 18
Capítulo 3 Procedimento e Resultados .................................................................................... 20
3.1 Arquitetura Funcional ........................................................................................................ 20
3.2 Implementação do circuito de transmissão/receção sem retificação ................................. 21
3.2.1 Filtro LC ..................................................................................................................... 21
3.2.2 Conceção Física das bobines ...................................................................................... 22
3.2.3 Teste a diferentes tamanhos de transmissores e recetores .......................................... 24
3.2.4 Conclusões sobre os testes realizados ......................................................................... 32
3.3 Teste ao circuito com a técnica por indução magnética .................................................... 33
3.4 Implementação do bloco de retificação com filtragem...................................................... 34
3.4.1 Circuito retificador ...................................................................................................... 34
3.4.2 Filtragem ..................................................................................................................... 38
3.5 Testes ao circuito final sem bateria ................................................................................... 39
3.6 Testes ao circuito final com bateria ................................................................................... 41
3.6.1 Análise aos resultados obtidos .................................................................................... 44
Capítulo 4 Conclusões e Trabalho Futuro .............................................................................. 46
4.1 Análise Geral ..................................................................................................................... 46
4.2 Propostas de trabalho futuro .............................................................................................. 47
4.3 Contribuições..................................................................................................................... 47
Referências................................................................................................................................. 48
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viii
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Sistema usado por Michael Faraday na experência[9] ............................................................. 4
Figura 1.2 - Carregador sem fios Samsung[13] ........................................................................................... 5
Figura 1.3 - Conceito Witricity[14] ............................................................................................................. 6
Figura 1.4- Pacemaker e um protótipo de uma bobina implantável[18] ...................................................... 7
Figura 1.5 - Protótipo de um sistema de transferência sem fios[19] ............................................................ 8
Figura 1.6 - Cenário futurista do sistema implementado[19] ....................................................................... 8
Figura 1.7 - Watson Watt com o seu primeiro radar[21] ............................................................................. 9
Figura 1.8 - Sistema de controlo de pacientes desenvolvido pela “GAO Group”[23] ............................... 10
Figura 1.9 - Solução apresentada pela Motorola[24] ................................................................................. 11
Figura 2.1 - Indução mútua entre duas bobinas ......................................................................................... 13
Figura 2.2 - Iteração das linhas de campo com o plano ............................................................................. 14
Figura 2.3 - Variação do fluxo magnético ................................................................................................. 14
Figura 2.4 - Modelo de energia sem fios por acoplamento magnético ressonante ..................................... 15
Figura 2.5 - Comprimento de onda de uma onda sinusoidal[26] ............................................................... 17
Figura 2.6 - Bobina de monocamada sem núcleo magnético[28] .............................................................. 18
Figura 2.7- Bobina de várias camadas sem núcleo magnético[28] ............................................................ 18
Figura 3.1 - Circuito exemplificativo do protótipo[25].............................................................................. 20
Figura 3.2 - Filtro LC ................................................................................................................................. 21
Figura 3.3 - Circuito de testes .................................................................................................................... 25
Figura 3.4- Gráfico de eficiência para transmissor de 4cm e várias dimensões de recetores..................... 27
Figura 3.5 - Gráficos de eficiências para transmissor de 5,5cm e várias dimensões de recetores.............. 28
Figura 3.6 - Gráfico de eficiências para transmissor de 6,5cm e várias dimensões de recetores ............... 30
Figura 3.7 - Gráfico de eficiências para transmissor de 7,5cm e várias dimensões de recetores ............... 31
Figura 3.8- Circuito indutivo ..................................................................................................................... 33
Figura 3.9 - Gráfico de eficiência para circuito indutivo ........................................................................... 33
Figura 3.10 - Retificador de meia onda...................................................................................................... 35
Figura 3.11 - Retificador de onda completa em ponte ............................................................................... 36
Figura 3.12- Efeito de Ripple..................................................................................................................... 38
Figura 3.13 - Circuito com retificador e carga ........................................................................................... 39
Figura 3.14 - Circuito com retificação e filtragem ..................................................................................... 40
Figura 3.15 - Circuito de carregamento da bateria ..................................................................................... 42
Figura 3.16 - Evolução de carga na bateria ................................................................................................ 42
Figura 3.17 - Circuito final do protótipo .................................................................................................... 43
Figura 3.18- Evolução de descarga da bateria ........................................................................................... 43
Figura 3.19 - Evolução de carga da bateria ................................................................................................ 44
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ix
Lista de Tabelas
Tabela 1- Características bobinas transmissoras ........................................................................................ 23
Tabela 2 - Características bobinas recetoras .............................................................................................. 23
Tabela 3 - Fios de cobre AWG .................................................................................................................. 24
Tabela 4 - Condições de teste para bobina transmissora de 4cm ............................................................... 26
Tabela 5 - Valores obtidos para o caso 5 para D1=4cm............................................................................. 27
Tabela 6 - Condições de teste para a bobina transmissora de 5,5cm ......................................................... 28
Tabela 7 - Valores obtidos para o caso 6 para D1=5,5cm.......................................................................... 29
Tabela 8 - Condições de teste para a bobina transmissora de 6,5cm ......................................................... 29
Tabela 9 - Valores obtidos para caso 6 com D1=6,5cm............................................................................. 30
Tabela 10 - Condições de teste para a bobina transmissora de 7,5cm ....................................................... 31
Tabela 11 - Valores obtidos para caso 6 com D1=7,5cm........................................................................... 32
Tabela 12 - Valores obtidos com circuito puramente indutivo .................................................................. 34
Tabela 13 - Características da família de díodos Schottky 1N5817-1N5819[35] ...................................... 37
Tabela 14 - Valores obtidos após retificação ............................................................................................. 39
Tabela 15 - Comparação de valores pré retificação e após retificação ...................................................... 40
Tabela 16 - Configurações de teste ao circuito .......................................................................................... 41
Tabela 17 - Características da bateria [37]................................................................................................. 41
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x
Lista de Acrónimos
AWG
American Wire Gauge
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
Fem
Força eletromotriz
MIT
Massachusetts Institute of Technology
RFID
Radio Frequency Identification
RMS
Root Mean Square (Valor eficaz)
VAD
Dispositivo de Assistência Ventricular
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xi
Nomenclatura
Símbolo
Significado
Unidade
R
Resistência
Ω
V
Tensão
V
I
Corrente
A
f
Frequência
Hz
N
Enrolamentos
M
Indução Mútua
µH
L
Indutância
H
C
Capacitância
F
Φ
Fluxo magnético
Wb
ℰ
Força eletromotriz induzida
V
Δt
Intervalo de tempo
s
ΔΦ
Variação do fluxo magnético
Wb
S
Área da espira
cm
Constantes
Velocidade da luz no vazio
c
3x
m.
Permeabilidade do vazio
µ0
4π x
N.
Pi
π
3,14159…
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xii
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo é feito um enquadramento da atual dissertação, são expostas as
motivações e objetivos que conduziram ao desenvolvimento desta investigação, é
explicada a organização e estrutura desta dissertação. Por último, é realizada uma
contextualização histórica sobre o desenvolvimento das duas técnicas de transferência
de energia sem fios, aplicações que usam o mesmo princípio e o impacto das mesmas
em aplicações biológicas.
1.1 Enquadramento
A presente dissertação insere-se no ciclo de estudos do curso Mestrado Integrado
em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores da Universidade do Minho,
proposta pelo departamento de Física e promove a capacidade de iniciativa e de decisão.
Este trabalho pretende apresentar um estudo sobre o conceito de transferência de
energia sem fios abordando duas das técnicas, a transferência sem fios por indução
magnética e uma das técnicas mais promissoras do futuro, a transferência de energia
sem fios por acoplamento indutivo ressonante. A área de principal foco será a área da
saúde onde a aplicação deste conceito tem sido mais demorosa devido ao nível de
exigência e rigor que este tipo de aparelhos requer, com nenhuma das técnicas até agora
existentes a mostrar viabilidade suficiente para serem implementadas fosse por serem
prejudiciais à saúde fosse pela eficiência.
Foi no entanto com o aparecimento da técnica por acoplamento indutivo
ressonante que se criou nova expectativa em relação a todo o conceito de transferência
sem fios nos aparelhos móveis. O grande passo para isso foi quando em 2007, uma
equipa do MIT, conseguiu alimentar uma lâmpada de 60Watts colocada a 2 metros de
distância do emissor com uma eficiência de 40% [1][2].
Na área da saúde, já se começaram a dar os primeiros passos com a construção
de alguns protótipos de investigação [3][4], mostrando-se esta técnica promissora
quanto à sua aplicação nos aparelhos de implante médico.[5]
Posto isto, a elaboração desta dissertação começou com a recolha de informação
e revisão bibliográfica acerca das duas técnicas na área da saúde, seguindo-se o
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1
Capítulo 1 - Introdução
planeamento e execução da componente laboratorial, terminando com a redação do
presente documento.
1.2 Motivação e Objetivos
A eletricidade hoje em dia tornou-se um bem essencial no quotidiano de uma
sociedade que se considera moderna e evoluída. O rápido crescente dos dispositivos
elétricos móveis, tanto a nível de funcionalidades como a nível físico, faz com que
sejam também mais exigentes com as baterias. Estas atualmente, ainda apresentam
alguns pontos fracos ao nível de volume e duração, além do incómodo provocado pelo
carregamento ou substituição da mesma.
Existem áreas onde estas limitações podem ser mais criticas, como é o caso da
área da saúde onde os aparelhos elétricos de implante médico podem mesmo obrigar a
intervenções cirúrgicas para a substituição da bateria, sendo o caso dos pacemakers,
implantes cardíacos, entre outros. Por outro lado, existem aparelhos onde é possível a
alocação da bateria de forma externa ao corpo, não obrigando intervenção de
substituição, como é o caso dos assistentes ventriculares (VADs) que implicam a
passagem de fios pelo interior do corpo que estabelecem a ligação entre a bateria e o
aparelho, o que em diversos casos pode levar à morte do paciente por infeção. [5]
É com a motivação de contribuir no desenvolvimento de soluções para estes
casos, que o estudo do conceito de transferência de energia sem fios ganha relevância,
já que permitiria resolver alguns dos problemas enumerados anteriormente. Com isso,
conseguir-se-ia evitar intervenções e passagens de fios pelo corpo, carregando a bateria
sem fios e dando assim maior comodidade tanto a estes pacientes como a todos os
outros utilizadores que possuíssem outro tipo de aparelhos elétricos móveis.[6]
Posto isto, o principal objetivo desta dissertação é o estudo do conceito de
transferência de energia sem fios e técnicas utilizadas: a técnica por indução magnética
e a técnica por acoplamento indutivo ressonante que será alvo de maior foco visto ser
uma técnica mais recente e com maior potencial.
Em termos práticos, será construído um protótipo recorrendo à técnica por
acoplamento indutivo ressonante. Na sua implementação deverão ser respeitados alguns
princípios deste tipo de aplicações, nomeadamente o binómio entre a otimização
máxima em termos de volume do conjunto físico e a eficiência, durante uma
determinada distância. Daí que, durante a implementação serão realizados vários testes
a vários tamanhos de conjuntos físicos de modo a atestar o conjunto com o melhor
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2
Capítulo 1 - Introdução
binómio. O objetivo será carregar uma pequena bateria como exemplo a uma aplicação
de um caso real.
Será ainda realizado um pequeno teste recorrendo à técnica de transferência sem
fios por indução magnética. Desta forma, será estabelecida uma comparação entre os
resultados das duas técnicas e poder assim atestar as vantagens da técnica por
acoplamento indutivo ressonante face à técnica por indução magnética.
1.3 Organização e Estrutura da Dissertação
Esta tese encontra-se estruturada em 4 capítulos dos quais, o presente capítulo 1,
que é composto por esta introdução ao trabalho. São expostas as motivações e objetivos
que conduziram ao desenvolvimento desta investigação. Por último, é feita uma
contextualização histórica sobre as duas técnicas de transferência de energia sem fios
abordadas, com especial foco na contribuição da mais recente técnica por acoplamento
indutivo ressonante em aplicações biológicas.
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
Neste capítulo será feita uma análise teórica a cada uma das duas técnicas de
transferência sem fios, enumerando as particulares associadas a cada uma.
Serão também analisados alguns conceitos e definições importantes a ter em
conta na análise e caracterização de um sistema de transferência sem fios.
Capítulo 3 – Procedimentos e Resultados
Neste capítulo é realizada uma descrição detalhada da implementação prática de
um sistema capaz de transmitir energia sem fios a uma carga com a técnica por
acoplamento indutivo ressonante.
Especifica-se todos os passos intermédios antes da construção do protótipo final,
tal como testes utilizando as duas técnicas e testes a diferentes conjuntos de bobinas de
modo a atestar o conjunto mais eficiente de modo a implementar no protótipo final.
Será ainda feita uma análise aos resultados obtidos nos testes intermédios e
finais.
Capítulo 4 – Conclusões e Trabalho Futuro
Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões desta dissertação,
fazendo uma análise global aos resultados e objetivos atingidos.
Por fim, são apresentados algumas sugestões a ter em conta num eventual
trabalho futuro.
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3
Capítulo 1 – Estado de Arte
1.4 Estado de Arte
Apesar da transmissão sem fios só recentemente ter passado a merecer maior
atenção por parte dos investigadores, é uma tecnologia que já havia tido os primeiros
avanços em 1891 quando Nikola Tesla protagonizou experiências com um conceito
denominado por indução eletromagnética. Apesar disso, pode-se considerar que foi
Michael Faraday o grande descobridor desta técnica quando em 1831 provou que uma
corrente que fluía num fio poderia induzir uma outra corrente num fio próximo.[7] Para
isso ele enrolou num mesmo anel de ferro duas bobinas, uma ligada a uma pilha e outra
ligada a um galvanômetro; enquanto o circuito estava fechado nada ocorria no
galvanômetro, no entanto quando o circuito era interrompido ou se reatava a passagem
surgia uma outra corrente na bobina ligada ao galvanômetro. Com essa experiência
Faraday comprovou que a variação da corrente elétrica numa das bobinas induzia uma
corrente elétrica independente na outra.[8]
Figura 1.1 - Sistema usado por Michael Faraday na experência[9]
Na altura, tal afirmação de Michael Faraday pouco ou nenhum interesse
despertou por parte da comunidade científica. Foi então passado uns anos, mais
precisamente em 1893, que Nikola Tesla provou que Faraday estava correto ao realizar
na exposição “Worlds´s Columbian Exposition”, em Chicago com sucesso o teste das
lâmpadas onde conseguiu ligar e desligar várias lâmpadas à distância, recorrendo à
indução magnética sem qualquer condutor.[10] Foi talvez o maior avanço dado na área
e que fez acreditar que tal tecnologia seria possível ser implementada no nosso
quotidiano.
Com isto, após alguns anos de desenvolvimento e passado mais de 100 anos, o
sonho de Tesla torna-se realidade, esta técnica passou mesmo a integrar o nosso
quotidiano e cada vez com maior abundância. Os telemóveis por exemplo, hoje em dia
já integram o nosso quotidiano de forma quase indispensável, sendo que grandes
fabricantes como a Nokia[11] e mais recentemente a Samsung[12], já têm disponíveis
em alguns modelos acessórios para carregamento da respetiva bateria sem fios.
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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4
Capítulo 1 – Estado de Arte
Figura 1.2 - Carregador sem fios Samsung[13]
Existem também aparelhos elétricos onde o mesmo princípio é aplicado mas
com outra intencionalidade, como é o caso dos fogões por indução, que são usados para
aquecimento.
Esta técnica consiste basicamente em ter uma indutância que devidamente
alimentada pela corrente elétrica vai gerar um campo magnético que vai atuar num
outro elemento condutor (recetor) fazendo com que uma corrente flua nesse elemento.
No entanto, esta técnica é bastante sensível à distância e tem uma quebra
exponencial ao nível de eficiência conforme se vai distanciando o transmissor e recetor,
impossibilitando assim a sua implementação noutras aplicações que requerem maior
distância entre estes dois elementos.
1.4.1 Técnica por Acoplamento Indutivo Ressonante
Foi então, com o objetivo de melhorar esse aspeto que Marin Soljacic, professor
assistente de física no Instituto de Tenologia de Massachusett, decidiu deixar o seu
marco nesta área, ao desenvolver um protótipo que recorre a uma técnica denominada
por técnica por acoplamento indutivo ressonante. Com isto, Marin Soljacic conseguiu
transferir energia elétrica de um ponto para outro sem fios de forma bastante viável e
com aumento substancial da distância entre os dois circuitos em relação à técnica usada
por Nikola Tesla. Esta tecnologia, basicamente, consiste em ter dois circuitos
eletromagnéticos que quando fortemente acoplados a uma certa frequência, permitem
uma forte troca de energia e assim alimentar aparelhos elétricos de médio porte.
Na figura abaixo pode-se ver um diagrama representativo das linhas de força
concebido pela própria WiTricity Corp.
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5
Capítulo 1 – Estado de Arte
Figura 1.3 - Conceito Witricity[14]
As linhas a azul (1) representam o campo magnético induzido pela bobina ligada
à fonte de alimentação (4). As linhas em amarelo (2) representam o fluxo de energia
transferido do campo magnético da bobina da fonte de alimentação (4) para a bobina
recetora (5).
De notar que a natureza ressonante do sistema garante que haja sempre uma
forte interação entre as duas bobinas, evitando interrupções na transmissão de energia
com a presença de obstáculos, como também é possível verificar no diagrama (3).
No entanto, a desvantagem desta técnica é que o campo criado a certas
frequências ou a exposições elevadas pode criar efeitos colaterais na saúde pública, daí
a criação do padrão IEEE C95.1-2005[15] que regulamenta os limites de valores para
frequências entre os 3kHz e os 200GHz de campo magnético em ambientes abertos à
população comum e para áreas controladas.
1.4.2 Bio aplicações
Devido às suas vantagens, desde cedo começaram a surgir algumas ideias e
protótipos de aplicação da técnica de acoplamento indutivo ressonante em aparelhos de
implante médico, como os assistentes ventriculares (VADs), bombas cardíacas ou
pacemakers. Estes caracterizam-se por serem aparelhos de assistência cardíaca que têm
como função ajudar o coração humano a bombear o sangue e a manter o ritmo cardíaco
necessário para bom funcionamento, de forma a nutrir o resto dos órgãos humanos, ou
seja, suportes de vida muito importantes. De notar, que segundo a Organização mundial
de Saúde, as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte no mundo.[16]
No entanto, estes aparelhos devido à sua natureza elétrica, requerem alimentação
energética proveniente do uso de baterias que podem estar alocadas internamente ou
externamente ao corpo humano. Apesar da grande autonomia destas baterias, todas têm
um período de duração que quando atingido, requerem a substituição ou carregamento
das mesmas. No caso dos pacemaker´s, a substituição da bateria requer mesmo
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6
Capítulo 1 – Estado de Arte
intervenção cirúrgica. No caso dos aparelhos com baterias externas outro inconveniente
acaba por ser o transporte da energia desde as baterias ao aparelho, onde é feito através
de fio de cobre, o que por vezes provoca infeções e pode levar mesmo ao falecimento
do paciente.[17]
É neste âmbito que surge a possível aplicação das técnicas de transmissão de
energia sem fios neste tipo de aparelhos, onde seria possível efetuar o carregamento
destas baterias, retardando assim a intervenção cirúrgica para sua substituição, podendo
mesmo em alguns casos evitar a cirurgia. No caso dos aparelhos com baterias externas
evitaria o uso de fios a percorrer o corpo humano.
António Abreu, Estudante de doutoramento em Sistemas Sustentáveis de
Energia (SSE) no âmbito do programa MIT Portugal, desenvolveu um sistema de
carregamento de baterias não-invasivo recorrendo à técnica por acoplamento ressonante,
para recarregar baterias de implantes cardíacos eletrónicos. Com este sistema, António
Abreu garante que além do carregamento em si das baterias, também é possível
controlar o consumo de energia do próprio aparelho, consoante as necessidades do
dispositivo eletrónico e da patologia do paciente, conseguindo assim uma melhor
eficiência e otimização consoante os casos de aplicação. Além do fornecimento de
energia, é possível ainda a comunicação com o aparelho para efeitos de diagnóstico e
reprogramação do implante.[18]
Figura 1.4- Pacemaker e um protótipo de uma bobina implantável[18]
O princípio de funcionamento do sistema também se mostrou replicável para
otimizar a transmissão de energia elétrica em sistemas de transporte e de distribuição,
conseguindo assim mais uma vez uma otimização de custos para o consumidor.[18]
Dispositivos de Assistência Ventricular (VADs)
Atualmente os assistentes ventriculares são implantados no corpo recorrendo a
alimentação de baterias externas, que requer o uso de fios a atravessar o corpo, o que
diminui a qualidade de vida e aumenta o risco de infeções.
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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7
Capítulo 1 – Estado de Arte
Com o objetivo de colmatar estes inconvenientes, investigadores da
Universidade de Washington e da Universidade de Pittsburgh têm desenvolvido
protótipos capazes de efetuar a alimentação do aparelho sem que, seja necessário o uso
de fios, recorrendo à técnica por acoplamento indutivo ressonante. [19]
Figura 1.5 - Protótipo de um sistema de transferência sem fios[19]
O conceito é em tudo idêntico ao do MIT, uma bobina primária que é alimentada
pela corrente elétrica, denominada por bobina de transmissão, envia ondas
eletromagnéticas a uma certa frequência e uma bobina recetora absorve a energia para
carregar uma bateria, que neste caso, estaria internamente no aparelho.[19] Com isto, o
paciente poderia ultrapassar algumas das limitações impostas que este tipo de aparelhos
provoca atualmente ao nível de movimento, podendo fazer uma vida normal.
Estes investigadores preveem a aplicação desta tecnologia de forma a aumentar
o conforto e comodidade, por isso o estudo inclui o uso desta tecnologia em coletes que
contenham o transmissor e que quando ligados à rede elétrica façam o respetivo
carregamento da bateria interna, sem fios. Terminado o carregamento, o paciente
poderia fazer a sua vida de forma normal durante um período de tempo (estimado de 2
horas), como tomar banho ou outro tipo de rotinas, até novo carregamento.[19]
Figura 1.6 - Cenário futurista do sistema implementado[19]
Num cenário mais evoluído, a intenção passa por implementar bobinas
transmissoras em locais que o paciente use diariamente e assim seja feito o
carregamento de forma impercetível tanto para o paciente como para as restantes
pessoas, como numa cama, num sofá ou numa cadeira.
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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8
Capítulo 1 – Estado de Arte
1.4.3 RFID
Existem outros tipos de aplicações, onde é usado o mesmo conceito de
transferência de energia/dados por frequência, como é o caso do RFID.
RFID é um acrónimo para Radio Frequency Identification e consiste numa
tecnologia para identificação automática através de sinais de rádio, conseguindo ler e
armazenar dados remotamente através de dispositivos denominados por transponders
ou etiquetas RFID.[20] Esses transponders são nada mais nada menos que chips de
silício e antenas que permitem a resposta a sinais de rádio enviados por um transmissor,
sendo estes recetores do tipo passivo, assemelhando-se assim a um sistema de
transferência de energia sem fios no qual o recetor também atua como elemento
passivo. No entanto, neste tipo de aplicações, também sistemas onde o recetor do tipo
ativo já que contêm uma bateria que lhes permite enviar um sinal próprio. Esta
tecnologia vem assim colmatar algumas limitações dos códigos de barra, nomeadamente
a nível de distância.
Por outro lado, pode-se considerar que a grande desvantagem atualmente se
revela a nível de segurança, já que devido a não haver nenhuma autenticação ou rotina,
qualquer leitor RFID poderá ler qualquer transponder, sendo esta a razão para a sua não
massificação.
Esta tecnologia pode-se considerar que teve as suas raízes na Segunda Guerra
Mundial, quando surgiu a necessidade dos países intervenientes detetarem nos radares
quais os seus aviões e quais os aviões inimigos. O físico escocês Sir Robert Alexander
Watson-Watt que já havia descoberto os radares, no qual foram usados por esses países
na Guerra, liderou mais tarde um projeto secreto desenvolvido por uma equipa de
ingleses, que colmatava esta necessidade. O projeto baseou-se na colocação de um
transmissor em cada avião britânico e quando esses transmissores recebiam sinais das
estações de radar de solo, começavam a transmitir um sinal de resposta, que identificava
o avião como sendo um avião “aliado”.[21]
Figura 1.7 - Watson Watt com o seu primeiro radar[21]
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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9
Capítulo 1 – Estado de Arte
Posto isto, a primeira patente para esta tecnologia foi responsabilidade do Sr
Mario W. Cardullo em 23 de janeiro de 1973, com um sistema constituído por um
transponder ativo com memória regravável. Neste mesmo ano, outra patente foi
requerida com um sistema capaz de destravar uma porta sem chave, onde o transponder
era colocado num cartão que comunicava com o leitor colocado na porta e enviava um
sinal de autorização para esta destravar.[21]
Com o passar dos anos, vários investigadores foram apresentando algumas
soluções com vista a melhorias no sistema, até que em 1999 foi considerado o ano do
grande salto em termos de investigação quando quase 100 empresas a nível mundial e 7
das principais universidades de pesquisa do mundo se uniram criando o “Auto-ID
Center” no MIT. [22]
Dois professores, David Brock e Sanjay Sarma, realizaram várias pesquisas com
intuito de aplicar a tecnologia na identificação de vários produtos, onde um dos pontos
importantes fosse manter o sistema o mais baixo custo possível. A ideia passou então
por utilizar transponders baratos, com capacidade para armazenar um simples numero
série por exemplo, que depois de lido e associado a uma base de dados externa, se teria
acesso a toda a informação correspondente a esse número de série.
Aplicações na área da saúde
Com o evoluir da tecnologia, e a redução do volume a nível de componentes e
circuitos, permitiu que esta tecnologia pudesse ser incorporada em pequenos objetos,
animais ou pessoas, para fins de controlo e identificação. O setor da saúde é então um
dos grandes beneficiados com a possibilidade de acompanhamento de pacientes,
controlo de equipamento hospitalar, identificação de pessoal e o controlo das várias
divisões do hospital para pacientes e médicos através de uma etiqueta eletrónica
inserida no paciente.[20] Com isto, permitiu a possibilidade de armazenamento e acesso
a todo o registo histórico de doenças, tratamentos e até alguns dados pessoais para
eventuais cirurgias e transfusões de sangue.
Figura 1.8 - Sistema de controlo de pacientes desenvolvido pela “GAO Group”[23]
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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10
Capítulo 1 – Estado de Arte
A “GAO group” é responsável por algumas das soluções a nível de sistemas
RFID tanto na área da saúde como em outras áreas. A nível de saúde e hospitalar a sua
solução apresenta bastantes características quanto ao tipo de dados armazenados, tais
como: histórico dos pacientes, o tempo de espera dos pacientes, administração de
medicamentos, controlo de inventários, controlo de acesso, etc.
Também a Motorola desenvolveu uma solução de características semelhantes
que “promete” algumas vantagens a nível de segurança e custos.[24]
Figura 1.9 - Solução apresentada pela Motorola[24]
O sistema é composto por leitores móveis e fixos, onde estes últimos são
implementados em portas, corredores ou outro tipo de lugares de um edifício. Já os
leitores móveis podem ser usados por médicos ou outro tipo de pessoas que necessitem
de ter acesso a informação relativo a algum paciente ou material. A marca garante uma
distância de comunicação entre transponder e leitor de 1,5metros a 3 metros. [24]
Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias
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11
Capítulo 2
Fundamentos Teóricos
Neste capítulo será feita uma análise teórica a cada uma das duas técnicas de
transferência sem fios, enumerando algumas das vantagens e desvantagens a si
associadas.
Serão também analisados alguns conceitos e definições importantes a ter em
conta na análise e caracterização de um sistema de transferência sem fios.
2.1 Indutores
Os indutores, nomeadamente as bobinas, são componentes passivos cuja
particularidade é o armazenamento de energia elétrica no campo magnético formado
pela corrente alternada (CA). Estas, quando percorridas por determinada corrente,
opõem-se a qualquer variação brusca de corrente, sendo que a reação do campo
magnético à corrente designa-se por coeficiente de autoindução, e é medida em Henrys
(H). Posto isto, quando são criadas enrolamentos ao enrolar os condutores, o coeficiente
de autoindução aumenta e surge o conceito de bobina (indutância). De notar, que
quando percorridas por corrente contínua (CC) estes componentes comportam-se como
curto-circuitos aplicando-se estes comportamentos somente quando percorridos por
corrente alternada (CA).
Uma indutância depende essencialmente do formato, diâmetro, número de
enrolamentos e núcleo utilizado, sendo estes os parâmetros primordiais na alteração do
valor da mesma.
2.2 Acoplamento das indutâncias
O acoplamento das indutâncias está de acordo com o conceito de
transformadores. A bobina transmissora resume-se de forma simples à alimentação,
enquanto a bobina recetora à carga. A energia é transferida por um acoplamento
magnético através do ar, do transmissor até ao recetor. As linhas de fluxo são
encaminhadas do primário para o secundário e geram assim uma boa concentração de
fluxo.
Dependendo do posicionamento das duas bobinas, o acoplamento pode ser bom
ou mau, ou seja, se as duas bobinas não estiverem alinhadas coaxialmente, o fluxo
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12
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
magnético que chega à bobina secundária é menor, pois não têm um ângulo de 90º com
a área da secção da bobina.
Na técnica de acoplamento indutivo ressonante os princípios são semelhantes
diferindo apenas na colocação de condensadores nos dois circuitos formando assim dois
filtros LC que vão ressonar à mesma frequência.
Quando fortemente acopladas as bobinas, o sistema vai atuar como um
transformador, tendo igualmente perdas por correntes parasitas.
2.3 Eletromagnetismo
O eletromagnetismo, nome da teoria desenvolvida por James Maxwell, ajuda a
explicar a relação entre a eletricidade e o magnetismo.
Figura 2.1 - Indução mútua entre duas bobinas
Ela explica que colocando duas bobinas próximas na mesma posição, como
mostra a Figura 2.1, quando L1 é percorrida uma corrente i1, é produzido um campo
magnético de indução magnética B1. A bobina L2 estando próxima, será atravessada
pelas linhas de campo do campo magnético B1 (representado pelas linhas azuis) o que
originará um fluxo do campo magnético dado pela equação (2.1).
(2.1)
. Este é máximo quando o plano da bobina L2 é perpendicular às linhas de
campo e nulo quando o plano da bobina for paralelo às linhas de campo.
Se este fluxo for variável no tempo, segundo a lei de Faraday, é responsável pelo
fenómeno de indução eletromagnética pois induzirá uma força eletromotriz em L2 e
aparecerá uma corrente i2, sendo proporcional à taxa de variação do fluxo magnético que
o atravessa e com isso proporcional à taxa de variação da corrente i1. Com o surgimento
da corrente i2 também se criará uma tensão, que se denomina por força eletromotriz
induzida (fem) e está relacionada com a rapidez com que o fluxo varia. Então, segundo
a lei de Faraday a força eletromotriz induzida num circuito é igual à razão entre a
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13
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
variação do fluxo magnético nesse circuito, pelo intervalo de tempo que essa variação
ocorre e é dada pela seguinte equação:
(2.2)
Portanto, desde que variável, o fluxo (ɸ) criado por um circuito indutor primário
pode provocar indução eletromagnética num circuito indutor secundário. Essa variação
contudo pode ser conseguida também através da variação da posição da superfície da
bobina relativamente ao vetor de campo. Este processo é o mais usado atualmente.
Figura 2.2 - Iteração das linhas de campo com o plano
Tendo em conta a figura acima, ao rodar o plano com uma velocidade angular
faz-se variar o fluxo magnético na espira o que induzirá uma corrente sinusoidal nos
seus terminais.
Figura 2.3 - Variação do fluxo magnético
Com a Figura 2.3 é possível ver a variação do fluxo magnético durante uma
rotação completa (360º) e comprovar que a cada meia volta (180º) o fluxo do campo
magnético é máximo.
2.3.1 Acoplamento Indutivo Ressonante
O termo ressonância está associado por definição “à produção de um movimento
oscilatório por impulsões repetidas de frequência conveniente1”. Quer isto dizer que
todos os sistemas físicos têm uma frequência natural, que se caracteriza por ser a
frequência com que esse sistema tende a absorver ou produzir energia de forma mais
eficiente.[25] De notar que, a frequência natural é uma característica intrínseca a cada
material pelo que, não é idêntica em todos os sistemas.
1
http://www.priberam.pt/dlpo/resson%C3%A2ncia
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14
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
Existem alguns tipos de ressonância, entre as quais a eletromagnética, que
seguindo o mesmo princípio, é gerada quando a frequência de um campo magnético é
igual à frequência de ressonância magnética de um segundo corpo, em que este
começará a vibrar à mesma frequência.
Foi a partir deste princípio que um grupo de investigadores do MIT desenvolveu
um sistema capaz de transferir energia sem fios por acoplamento indutivo ressonante,
onde através de uma bobina ligada a uma fonte de corrente alternada, criava um campo
magnético variante a determinada frequência que “interagia” com um segundo sistema
dimensionado com frequência de ressonância semelhante. Com isto, o sistema consegue
minimizar as perdas pois os dois sistemas atuarão como um só.
O modelo base simplificado é dado pela Figura 2.4.
Figura 2.4 - Modelo de energia sem fios por acoplamento magnético ressonante
O sistema é então composto por dois circuitos, um circuito transmissor e um
circuito recetor. A alimentação do circuito transmissor é feita através da fonte de
corrente alternada (CA) que vai oscilar a determinada frequência. Essa corrente
oscilatória vai percorrer a bobina L1 e criar o campo magnético oscilante. O
condensador C1 em paralelo com L1 vai permitir a formação de um filtro LC que
sintonizado à mesma frequência da fonte e devido às suas características (que será
explicado mais pormenorizado no capítulo seguinte) faz com que a transmissão de
energia seja máxima, não sendo no entanto crucial a sua sintonização para a existência
de troca de energia.
No circuito recetor, ou circuito de carga, o sistema é composto pelo mesmo filtro
LC mas em vez de uma fonte é colocada a carga. Esse filtro LC deve estar sintonizado
com a mesma frequência da fonte osciladora pois só assim haverá troca de energia.
2.3.2 Indução Mútua
Para a técnica de transferência sem fios por ressonância, aplica-se um conceito
denominado por indutância mútua que descreve a iteração entre dois circuitos.
Considerando a Figura 2.1 têm-se então o campo magnético B1 provocado pelo
campo magnético de L1. Esse campo magnético pode ser calculado através da lei de
Biot e de Savart:
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15
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
̂
(2.3)
Onde
é a constante magnética, r a distância entre a posição de dl1 e a
localização em que o campo magnético está a ser calculado, e ̂ um vetor unitário na
direção r.
O fluxo do campo magnético B1 gerado por L1 em L2 também é proporcional à
corrente de i1, ou seja:
∫
(2.4)
Pela lei de Faraday, a fem induzida no circuito 2 é:
(2.5)
Por outro lado, sabe-se também que:
(2.6)
Relacionando as equações (2.4) e (2.5) obtêm-se a indução mútua (M):
(2.7)
Pode-se então calcular o coeficiente de acoplamento através da equação:
√
√
√
(2.8)
Onde M é a indutância Mútua entre as bobinas; L1 e L2 são as indutâncias das
bobinas; N1 e N2 são o número de enrolamentos das bobinas da bobina transmissora e
recetora respetivamente; r1 e r2 o raio da bobina 1 e 2 respetivamente; d a distância
entre bobinas; M0 é a indutância mútua para uma única espira; L10 e L20 são as
indutâncias das bobinas transmissoras e recetoras respetivamente, para uma única
espira.
Pode-se então concluir que a indução mútua é um fator que relaciona parâmetros
de construção que tendem a ser constantes. É também inversamente proporcional ao
cubo da distância entre os dois circuitos, ou seja, quanto menor a distância entre as duas
bobinas acopladas magneticamente, maior será a indução mútua entre elas. Por outro
lado, a indução mútua tende a ser maior quanto maior o número de enrolamentos das
bobinas e do seu raio.
De notar, que todos estes parâmetros se aplicam idealmente a bobinas planas
com o mesmo raio, de forma ao eixo de montagem ficar alinhado e a concentricidade
entre bobinas ser máxima.
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16
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
2.3.3 Espectro eletromagnético
O espectro eletromagnético é caracterizado pela distribuição de todas as
frequências que são possíveis obter no quotidiano. É dado pelas baixas frequências que
são usadas para comunicação rádio, sendo estas ondas de milhares de quilómetros de
comprimento de onda. Já as altas frequências apresentam comprimentos de onda mais
curtos.
No vácuo, todas estas ondas propagam-se à velocidade da luz
).
O comprimento de onda ( , é inversamente proporcional à frequência. Numa
onda sinusoidal, o comprimento de onda baseia-se na distância entre os dois picos de
onda.
Figura 2.5 - Comprimento de onda de uma onda sinusoidal[26]
O comprimento de onda é dado pela equação:
(2.9)
Em que
representa o comprimento de onda (metros), c a velocidade da luz no
vácuo
) e f a frequência da onda.
Assumindo então uma frequência máxima de 200kHz, e mínima de 100kHz têm-
se um comprimento de onda de
e
,
respetivamente.
Pela equação do modelo de acoplamento sem fios (2.10) obtém-se então a
distância máxima que cada frequência permite para um sistema de transferência sem
fios por acoplamento.
[27]
(2.10)
Que aplicando à gama de frequências arbitradas dá distâncias entre D=238m e
D=477m.
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17
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
Pode-se assim confirmar que em termos físicos, para a gama de frequências
arbitradas é perfeitamente realizável.
2.4 Fórmula de Wheeler
Na conceção física das bobinas, existe um método para cálculo da indutância de
uma bobina cilíndrica uniforme, esse método é através da fórmula de Wheeler.
Esta equação é bastante usada em bobinas de radiofrequência e é útil para o
cálculo de bobinas mesmo que de dimensões mais reduzidas contendo uma precisão em
torno do 1%. Pode ser aplicada tanto em bobinas monocamada como multicamada:
Figura 2.6 - Bobina de monocamada sem núcleo magnético[28]
Onde a indutância em microHenrys (
é dada por:
Em que c representa o comprimento em polegadas, N o número de enrolamentos
e r o raio em polegadas.
Figura 2.7- Bobina de várias camadas sem núcleo magnético[28]
Já a equação para uma bobina multicamada é:
Onde a representa o raio médio da bobina e h representa a espessura dos
enrolamentos e se determinam da seguinte forma:
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18
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
r1 representa assim o raio interno e r2 o raio externo, em polegadas.
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19
Capítulo 3
Procedimento e Resultados
Neste capítulo é realizada uma descrição detalhada da implementação prática de
um sistema capaz de transmitir energia sem fios a uma carga.
Especificam-se todos os passos intermédios antes da construção do protótipo
final, tal como testes utilizando as duas técnicas e testes a diferentes conjuntos de
bobinas, de forma a atestar o conjunto mais eficiente para implementar no protótipo
final.
Cada teste realizado será acompanhado por uma análise aos resultados obtidos.
3.1 Arquitetura Funcional
Após a realização do estudo às duas técnicas, e devido ao potencial da mesma,
optou-se pela implementação do sistema recorrendo à técnica por acoplamento indutivo
ressonante. Posteriormente serão realizados testes com a técnica por indução magnética
como meio de comparação.
O diagrama esquemático a implementar no protótipo baseou-se no modelo
apresentado pela equipa do MIT [1] [29].A Figura 3.1 mostra esse modelo na forma
simplificada.
Figura 3.1 - Circuito exemplificativo do protótipo[25]
O sistema pode-se dividir em duas partes, a parte que engloba o circuito de
transmissão, que é composto por uma fonte de sinais que vai fornecer um sinal de
entrada oscilador, e composto por um filtro LC. A segunda parte engloba o circuito
recetor e é composto igualmente por um filtro LC, um bloco retificador com filtragem e
a carga.
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20
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Durante os testes intermédios, será usada apenas uma carga resistiva. No
entanto, no circuito final, será adicionado uma pequena bateria de forma a ser carregada.
A fonte de sinais usada é um gerador de funções, que consegue fornecer funções
sinusoidais com frequências até 2MHz e uma potência máxima em torno dos 350mW, o
que pareceu adequado aos objetivos propostos.
Para o protótipo foi previsto um intervalo de frequências entre os 100kHz e os
200kHz, na qual a frequência de ressonância se deve inserir. Foi estabelecida esta gama
de valores de forma a não serem muito altos e com isso tentar evitar perdas maiores nos
componentes por aumento da resistência interna ou correntes de fuga. Já o intervalo foi
previsto devido ao facto das bobinas construídas não obedecerem a um rigor elevado e
dos componentes possuírem uma tolerância nos seus valores.
3.2 Implementação do circuito de transmissão/receção sem retificação
O circuito de transmissão/receção como já explicado, é constituído por dois
filtros LC que perfazem o conjunto físico base, este permite ao sistema entrar em
ressonância e efetuar a transferência de energia sem fios.
Sendo essa a base do sistema, é importante conhecer o seu funcionamento de
forma a se proceder ao dimensionamento dos seus componentes, implementação e
respetivos testes.
3.2.1 Filtro LC
Um filtro LC também pode ser chamado de circuito de ressonância ou circuito
sintonizador. É composto por um condensador e uma bobina que podem estar ligados
em paralelo ou em série, que quando ligados em conjunto apresentam uma capacidade
oscilatória, que permite responder a sinais oscilatórios.
Figura 3.2 - Filtro LC
O seu princípio de funcionamento é o seguinte: inicialmente é aplicada uma
tensão aos terminais do condensador (C) até este ficar carregado, posteriormente o
condensador no seu ciclo de descarga gera uma corrente que percorre a bobina (L), esta
por sua vez gera um campo magnético que se opõe a essa corrente e age de forma a
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21
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
tornar mais lento o processo de descarga do condensador. Conforme a corrente no
condensador vai diminuindo o campo magnético também vai diminuindo o que faz com
que o campo magnético na bobina varie e por sua vez faça induzir no circuito uma
corrente contrária à da primeira instância. O condensador vai então carregar novamente
mas com polaridade contrária à anterior. Quando o campo magnético desaparecer, o
condensador estará carregado novamente e novo ciclo reiniciar-se-á. Nos terminais do
condensador e da bobina existirá então um sinal alternado a uma frequência própria, que
é a frequência de ressonância.
É com base nestes princípios que os valores de indutância da bobina e de
capacitância dos condensadores interferem na frequência de ressonância, já que a cada
valor vai fazer com que a oscilação do circuito seja diferente.
No protótipo, será usada a montagem em paralelo. A equação que permite obter
a frequência de ressonância do circuito é a seguinte:
√
(3.1)
Em que fres é a frequência ressonância.
Para o protótipo foram arbitrados valores de indutância entre os 50µH e os
80µH, o que para uma frequência de ressonância máxima de 200kHz corresponde a
valores de condensadores de C=12.66nF e C=7.91nF respetivamente.
O tipo de condensadores a ser usado, no que respeita ao material do dielétrico e
dos elétrodos também é importante, daí que normalmente para este tipo de aplicação os
condensadores usados sejam com dielétrico de Polipropileno[30] e cerâmicos de
classe1[31] já que apresentam alta estabilidade do valor de capacitância com a
frequência e temperatura, e baixas perdas (corrente de fuga), isto dentro de uma gama
de frequências bastante alargada. No entanto, devido à indisponibilidade de obter
condensadores de valor 12.66nF e 7.91nF, o valor mais próximo disponível no
laboratório com dielétrico de polipropileno foi de 22nF, o que perfez uma frequência de
ressonância entre os 120kHz e os 150kHz, dentro da gama de frequências prevista.
3.2.2 Conceção Física das bobines
Para elaboração das bobinas, um fator importante a ter em conta é a secção do
fio de cobre usada, que é dada pelo AWG. Dependendo da corrente necessária, das
dimensões geométricas da bobina e da indutância requerida, deve-se definir um AWG
adequado.
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22
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Para o protótipo elaborado, foram criadas quatro medidas diferentes de bobinas
transmissoras e seis medidas diferentes de bobinas recetoras no qual foram impostos
alguns limites quanto à sua dimensão.
Para sintetizar, são apresentadas duas tabelas de resumo. Na Tabela 1 pode-se
ver as características de cada bobina transmissora elaborada, com uma comparação
entre os valores teóricos e os valores reais medidos.
Na Tabela 2 pode-se ver as características de cada bobina recetora elaborada,
com a respetiva comparação entre valores teóricos e reais medidos.
Tabela 1- Características bobinas transmissoras
Bobina
1
2
3
4
Diâmetro
4cm
5,5cm
6,5cm
7,5cm
Comprimento
0,5cm
0,5cm
0,5cm
0,5cm
Espessura
0,5cm
0,5cm
0,5cm
0,5cm
Área
0,25
0,25
0,25
0,25
Enrolamentos
27
20
21
19
Indutância teórica
50µH
40µH
54µH
52µH
Indutância medida
50µH
40µH
55µH
56µH
Reactância indutiva (100kHz)
21,35Ω
25 Ω
34,44 Ω
35,6 Ω
Tabela 2 - Características bobinas recetoras
Bobina
1
2
3
4
5
6
Diâmetro
1,5cm
2cm
2,5cm
3cm
3,5cm
4,5cm
Comprimento
0,2cm
0,2cm
0,2cm
0,2cm
0,2cm
0,3cm
Espessura
0,3cm
0,3cm
0,3cm
0,3cm
0,3cm
0,3cm
Área
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,09
Enrolamentos
46
47
41
30
35
24
Indutância teórica
54µH
80µH
78µH
51,5µH
80µH
49µH
Indutância medida
53,3µH
80µH
77,5µH
50,4µH
80,5µH
46,2µH
33Ω
50,19Ω
48,75Ω
31,7Ω
50,5Ω
28,95Ω
Reactância indutiva
(100kHz)
De modo a otimizar o tamanho das bobinas, optou-se por elaborar bobinas
multicamada, assim, dado o comprimento e espessura dimensionados para os
enrolamentos, consegue-se obter a área disponível para os enrolamentos.
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23
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
A Tabela 3 representa alguns valores AWG de fios de cobre disponíveis e que
pareceram adequados à implementação.
Tabela 3 - Fios de cobre AWG
AWG
Diâmetro mm
Enrolamentos/cm Enrolamentos/
38
0,1
59
3481
2,24
32
0,2
34
1156
0,56
30
0,25
30
900
0,36
26
0,40
20
400
0,14
24
0,51
17
289
0,08
20
0,81
10
100
0,03
18
1,02
8
64
0,02
Para as bobinas transmissoras, têm-se então uma área de 0,25
Ohms/metro
para todas as
bobinas. Dado que se pretende até um máximo de 27 enrolamentos para os 0,25
isto permite concluir que por cada
,
o fio escolhido deve permitir 108 enrolamentos.
Consultando a Tabela 3 verifica-se que o fio adequado é o AWG24 (ou superior)
visto que permite até 72 enrolamentos para os 0,25
ou 289 por cada
. O
AWG20 neste caso não seria adequado visto que só permitiria 25 enrolamentos nos
ou 100 enrolamentos por cada
o que tornaria impossível a construção da
bobina 1.
Para as bobinas recetoras, têm-se uma área de 0,06
em 5 casos e 0,09
num caso. Pegar-se-á no caso onde a área é menor e assim aplicar-se-á a todos. A área
menor é de 0,06
para 47 enrolamentos o que torna necessário um fio de cobre que
permita obter até 784 enrolamentos por cada
. Consultando a Tabela 3 verifica-se
que a escolha deverá recair num fio AWG30 (ou superior) que permite até 900
enrolamentos por cada
.
3.2.3 Teste a diferentes tamanhos de transmissores e recetores
Concluída a conceção das bobinas, submeteram-se as mesmas a testes de
eficiência, de modo a atestar o conjunto que apresentaria maior eficiência durante as
diferentes distâncias entre bobinas, e assim implementar no protótipo.
Como referido, todas as bobinas construídas respeitaram dimensões que se
acharam razoáveis tendo em conta o tipo de aplicação para a qual foram pensadas,
nomeadamente a bobina do circuito recetor ao qual foi dada especial atenção neste
aspeto. As bobinas do circuito de transmissão, não tendo tantas restrições neste campo,
foram elaboradas com intervalos de diâmetros mais espaçados.
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24
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
O circuito de testes das bobinas baseou-se no diagrama da Figura 3.1, com a
diferença da eliminação do bloco de retificação e filtragem, de modo a atentar
simplesmente à eficiência da troca de energia entre bobinas.
Figura 3.3 - Circuito de testes
Para cada um dos testes, optou-se por tornar fixo o valor do condensador do
circuito secundário (C2) e apenas ajustar a frequência do sinal de entrada (Vf) e o
condensador do circuito primário (C1) consoante as necessidades de sintonização. O
valor do condensador do circuito secundário é de 22nF como já referido.
Para cada bobina transmissora, foram realizados seis testes diferentes, que
correspondem a seis conjuntos físicos de dimensões e indutâncias diferentes.
Todos os testes foram realizados com uma carga resistiva de 360Ω no circuito
secundário.
Teste para bobina transmissora de diâmetro D1=4cm
Os primeiros testes foram iniciados com a bobina transmissora de diâmetro igual
a 4cm, que como se pode ver na Tabela 1, tem uma indutância real de 50 µH. No recetor
utilizaram-se os seis tipos de bobinas descritas na Tabela 2.
A frequência de ressonância foi calculada com base na equação (3.1). No
entanto, visto que C2 não é ideal e apresenta um erro de precisão em torno dos 5%, na
prática, vai ser necessário o ajuste da frequência de ressonância em cada um dos casos,
em relação à frequência teórica.
A Tabela 4 resume os valores de teste para cada uma dos casos.
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25
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Tabela 4 - Condições de teste para bobina transmissora de 4cm
1
2
3
4
5
6
(1,5cm)
(2cm)
(2,5cm)
(3cm)
(3,5cm)
(4,5cm)
Fressonância
Teórico
146975
119968
121887
151144
119594
157866
(Hz)
Prático
151500
122500
122500
155300
122500
165900
50µH
L1
L2
53,3µH
80µH
77,5µH
50,4µH
80,5µH
46,2µH
C1
22nF
39nF
39nF
22nF
39nF
22nF
C2
22nF
R (carga)
360Ω
É verificável um erro de aproximadamente 4% entre a frequência de ressonância
de entrada teórica e prática em todos os casos, que corresponde à gama de precisão do
condensador.
Devido ao facto do valor de indutância do circuito primário ser de 55µH e da
frequência de ressonância do circuito secundário variar devido aos diferentes valores de
indutância (L2), foi necessário variar o valor do condensador (C1) para cada um dos
casos de forma a equivaler a frequência de ressonância dos dois filtros. Na
impossibilidade de dimensionar os dois filtros LC com uma frequência de ressonância
idêntica, é importante que seja pelo menos o mais próxima possível, para a eficiência
aumentar.
Por isso, para aos casos em que a frequência de ressonância do circuito
secundário era fres=122500Hz, foi usado um condensador de valor mais alto no circuito
primário (C1), de modo a também baixar a frequência de ressonância do circuito
primário para valores próximos do circuito secundário, ou seja, para C1=39nF,
fres=113973Hz. Um valor bem mais próximo dos fres=122500Hz do circuito
secundário, já que caso C1 se mantivesse com o valor de 22nF, corresponderia a
fres=151748Hz e teríamos o circuito de transmissão com uma frequência de ressonância
de 151748Hz e o circuito recetor com uma frequência de ressonância de 122500Hz, o
que afetaria o acoplamento.
Na Figura 3.4 é possível observar o gráfico de eficiências correspondentes aos 6
casos testados para a bobina de transmissão de 4cm de diâmetro:
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26
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Eficiência (%)
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
4cm/4,5cm
4cm/3,5cm
4cm/3cm
4cm/2,5cm
4cm/2cm
4cm/1,5cm
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5 Distância (cm)
Figura 3.4- Gráfico de eficiência para transmissor de 4cm e várias dimensões de recetores
No caso 6, para a bobina secundária D2=4,5cm é possível verificar que, com
uma distância muito próxima, existe alguma perturbação na indução mútua entre
bobinas. É também visível que o facto da bobina transmissora ser de dimensão inferior à
bobina recetora, faz com que o campo criado pela primeira não seja suficientemente
grande para um acoplamento com tão boa eficiência como no caso 5, que por sua vez,
têm uma bobina recetora de dimensão mais aproximado ao da bobina transmissora,
fazendo deste conjunto mais equilibrado em termos de dimensões e resultados.
A tabela seguinte mostra os valores obtidos para esse caso.
Tabela 5 - Valores obtidos para o caso 5 para D1=4cm
Primário
Secundário
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão (V)
3,8
4,3
5,6
6
8
7,3
5,4
3
Corrente (mA)
87
64
43
34
27,6
25,6
18
10
Potência (mW)
273
254,4
210,9
183
220,8
186,9
97,2
30
De uma forma geral, os resultados confirmam a equação (2.5), que diz que a
indução mútua é inversamente proporcional ao cubo da distância entre os circuitos, tal
como proporcional à quarta potência do raio das bobinas. Isso é percetível nos
resultados obtidos, que apesar de não serem bobinas de raio semelhante, é evidente uma
maior indução Mútua entre bobinas recetoras de diâmetro superior, o que resulta
igualmente numa melhor conservação do coeficiente de acoplamento, visto que este é
proporcional à indução Mútua, tal como é explicado na equação (2.6).
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27
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Teste para a bobina transmissora de diâmetro D1=5,5cm
Passou-se assim para o 2º teste, com a bobina transmissora de diâmetro
ligeiramente maior, de 5,5cm. Com este aumento é esperado uma maior eficiência
principalmente com a bobina recetora de maior diâmetro.
Foram usadas as mesmas 6 bobinas recetoras que no teste anterior para também
se proceder a uma comparação entre as bobinas transmissoras.
Elaborou-se assim nova tabela de resumo das condições para este 2º teste.
Tabela 6 - Condições de teste para a bobina transmissora de 5,5cm
1
2
3
4
5
6
(1,5cm)
(2cm)
(2,5cm)
(3cm)
(3,5cm)
(4,5cm)
Fressonância
Teórico
146975
119968
121887
151144
119594
157866
(Hz)
Prático
151500
122500
122500
155300
122500
165900
40µH
L1
L2
53,3µH
80µH
77,5µH
50,4µH
80,5µH
46,2µH
C1
22nF
39nF
39nF
22nF
39nF
22nF
C2
22nF
R (carga)
360Ω
A interpretação desta tabela assemelha-se à interpretação da Tabela 4, já que
foram usados os mesmos princípios. O próprio valor de indutância da bobina
transmissora (L1), devido à proximidade do valor da do teste anterior, não provocou
necessidade de alteração do condensador (C1).
Já no campo das eficiências houveram algumas alterações como mostra o gráfico
seguinte:
Eficiência (%)
90,00
5,5cm/4,5cm
80,00
5,5cm/3,5cm
70,00
60,00
5,5cm/3cm
50,00
5,5cm/2,5cm
40,00
5,5cm/2cm
30,00
5,5cm/1,5cm
20,00
10,00
0,00
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5 Distância (cm)
Figura 3.5 - Gráficos de eficiências para transmissor de 5,5cm e várias dimensões de recetores
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28
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Neste teste, todas as bobinas recetoras são de diâmetro inferior à bobina
transmissora, daí que o conjunto com bobina recetora de maior diâmetro apresente
melhor eficiência.
É possível destacar a eficiência obtida pelo conjunto constituído pela bobina
secundária de diâmetro D2=4,5cm, principalmente a distâncias maiores.
A Tabela 7 apresenta os valores obtidos para esse caso.
Tabela 7 - Valores obtidos para o caso 6 para D1=5,5cm
Primário
Secundário
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão (V)
3,9
4,4
5,4
6,2
7,5
7,4
6,1
4,1
Corrente (mA)
65
59
42
25
28
27
22
14
Potência (mW)
253,5
259,6
226,8
155
210
199,8
134,2
57,4
Por outro lado, a grande diferença de dimensões entre bobinas do caso 1, além
de fazer com que as limitações físicas da bobina secundária (D2=1,5cm) não consigam
aproveitar de forma eficiente o campo criado pela primeira, é agravado pela má
concentricidade entre bobinas devido ao desalinhamento do eixo de montagem, o que
resulta na queda da eficiência.
Teste para a bobina transmissora de diâmetro D1=6,5cm
Para o 3º teste, as condições usadas foram precisamente as mesmas dos testes
anteriores, apenas foi alterada novamente a bobina transmissora de valor também ela
aproximado à das anteriores.
Na Tabela 8 pode-se ver o resumo das condições para o 3º teste.
Tabela 8 - Condições de teste para a bobina transmissora de 6,5cm
1
2
3
4
5
6
(1,5cm)
(2cm)
(2,5cm)
(3cm)
(3,5cm)
(4,5cm)
Fressonância
Teórico
146975
119968
121887
151144
119594
157866
(Hz)
Prático
151500
122500
122500
155300
122500
165900
55µH
L1
L2
53,3µH
80µH
77,5µH
50,4µH
80,5µH
46,2µH
C1
22nF
39nF
39nF
22nF
39nF
22nF
C2
22nF
R (carga)
360Ω
Tal como no teste anterior, a alteração da indutância da bobina transmissora não
provocou necessidade de ajuste no condensador C1.
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29
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Em relação às eficiências, no gráfico seguinte são mostrados os resultados
obtidos:
Eficiência (%)
70,00
6,5cm/4,5cm
60,00
6,5cm/3,5cm
50,00
6,5cm/3cm
40,00
6,5cm/2,5cm
30,00
6,5cm/2cm
20,00
6,5cm/1,5cm
10,00
0,00
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Distância (cm)
Figura 3.6 - Gráfico de eficiências para transmissor de 6,5cm e várias dimensões de recetores
De notar um abaixamento na eficiência em relação aos testes anteriores, o que é
explicado pelas já referidas consequências na diferença de dimensão entre a bobina
transmissora e recetora.
Por isso, o conjunto físico constituído pela bobina recetora de diâmetro
D2=4,5cm volta a destacar-se de todas as outras no que a eficiência diz respeito.
Tabela 9 - Valores obtidos para caso 6 com D1=6,5cm
Primário
Secundário
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão (V)
4,3
5
6
6,4
7,2
6,9
5,35
3,5
Corrente (mA)
70
60
45
42
26,2
25,3
19
12
Potência (mW)
301
300
270
268,8
188,64
174,57
101,65
42
Com um coeficiente de acoplamento entre bobinas cada vez mais baixo, e com
isso uma maior resistência na troca de energia, é notória a compensação por parte da
fonte de sinais ao debitar uma potência de saída, em média, superior ao dos casos
anteriores.
Teste para a bobina transmissora de diâmetro D1=7,5cm
Por fim, foi realizado um último teste com uma bobina transmissora de valor de
indutância semelhante às restantes bobinas, mas com diâmetro ligeiramente maior.
Tendo em conta a queda no coeficiente de acoplamento do teste anterior, devido
à diferença de dimensões nas bobinas, com este seria de esperar uma queda ainda mais
acentuada devido ao maior desalinhamento dos eixos. Isso comprovaria o explicado na
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30
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
teoria, acerca da aplicação da lei idealmente para conjuntos de bobinas de dimensões
semelhantes.
A Tabela 10 apresenta o resumo das condições para este último teste.
Tabela 10 - Condições de teste para a bobina transmissora de 7,5cm
1
2
3
4
5
6
(1,5cm)
(2cm)
(2,5cm)
(3cm)
(3,5cm)
(4,5cm)
Fressonância
Teórico
119968
121887
151144
119594
157866
(Hz)
Prático
122500
122500
155300
122500
165900
55µH
L1
L2
80µH
77,5µH
50,4µH
80,5µH
46,2µH
C1
39nF
39nF
22nF
39nF
22nF
C2
22nF
R (carga)
360Ω
É possível verificar de imediato a falta de valores para o conjunto físico do caso
1, isto é explicado pelo simples facto de que devido à grande diferença entre a dimensão
da bobina transmissora e recetora, os valores obtidos foram nulos, o que indiciava o não
acoplamento entre bobinas.
Já para os restantes casos, apesar de terem sido mais altos que para o caso 1, a
tendência foi a mesma dos outros testes, isto porque a diferença na dimensão entre
bobinas de cada conjunto fazia com que o acoplamento fosse cada vez mais fraco.
Sendo assim, os resultados deste teste revelaram-se ainda mais baixos conforme
mostrado no gráfico seguinte:
Eficiência (%)
60,00
7,5cm/4,5cm
50,00
7,5cm/3,5cm
40,00
7,5cm/3cm
7,5cm/2,5cm
30,00
7,5cm/2cm
20,00
10,00
0,00
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5 Distância (cm)
Figura 3.7 - Gráfico de eficiências para transmissor de 7,5cm e várias dimensões de recetores
Como expectável, o conjunto constituído pela bobina secundária D2=4,5cm
revelou melhores resultados que os restantes casos.
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31
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Na Tabela 11 são mostrados os valores obtidos para o melhor conjunto físico, o caso 6.
Tabela 11 - Valores obtidos para caso 6 com D1=7,5cm
Primário
Secundário
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão (V)
4,7
5.3
5.8
6
6.9
6.3
5
3,2
Corrente (mA)
65
53
50
50
25
22,8
17,9
10,8
Potência (mW)
305,5
280.9
290
300
172,5
143,64
89,5
34,56
Tal como no teste anterior, o aumento da potência debitada pela fonte, revela a
maior resistência na troca de energia das bobinas.
3.2.4 Conclusões sobre os testes realizados
Conclui-se com base nestes resultados, que os conjuntos físicos constituídos por
bobinas de dimensões mais próximas são os que apresentam melhores resultados, como
é o caso do conjunto físico constituído pela bobina transmissora de diâmetro D1=4cm e
secundária D2=3,5cm e o conjunto físico composto pela bobina transmissora de
diâmetro D1=5,5cm e bobina recetora de diâmetro D2=4,5cm.
No entanto, como visto na equação (2.7), a indução Mútua também é
proporcional ao quadrado do produto do raio das duas bobinas e com isso proporcional
ao quadrado da área do conjunto físico formado pelas bobinas, o que comprova o facto
da maior dimensão geral do conjunto físico constituído pelas bobinas D1=5,5cm e
D2=4,5cm consiga resultados ligeiramente melhores conforme a distância aumenta.
Seria expectável que caso a bobina recetora fosse de diâmetro semelhante à da
bobina transmissora, ou seja, D2=5,5cm, os resultados seriam ainda mais satisfatórios
mas dada a importância da dimensão do conjunto físico, nomeadamente do recetor,
achou-se que 4,5cm de diâmetro na bobina recetora seria um limite razoável.
Analisando os resultados, não sendo de todo desanimadores e sabendo de
antemão que o facto das dimensões das bobinas serem diferentes iria afetar o
desempenho das mesmas, esperava-se melhores resultados a distâncias maiores. Tal
pode ser explicado em parte pela falta de maior rigor na elaboração das bobinas o que
terá originado algumas falhas na sua conceção e consequentes perdas. Contudo, os
resultados obtidos ajudam a corroborar os fundamentos teóricos e obedecem aos
prossupostos inicialmente definidos.
Assim, o conjunto físico escolhido para implementar no protótipo, é o conjunto
físico que obteve melhor eficiência ao longo de todas as distâncias, com os seguintes
parâmetros:
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32
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
{
3.3 Teste ao circuito com a técnica por indução magnética
Testado o conjunto físico mais eficiente com a técnica por acoplamento indutivo
ressonante, foi a vez de submeter esse conjunto físico ao teste recorrendo à técnica por
indução magnética.
Este teste tem como objetivo poder estabelecer uma comparação entre as duas
técnicas no que a eficiências diz respeito, sendo esta técnica a mais comum entre os
carregadores sem fios usados no quotidiano, é importante saber até que ponto a técnica
por acoplamento indutivo ressonante se apresenta como uma verdadeira evolução.
Figura 3.8- Circuito indutivo
Para isso, foi necessário retirar os condensadores dos filtros do circuito usado
anteriormente e assim deixar o circuito puramente indutivo. Todos os restantes
parâmetros mantiveram-se.
Eficiência (%)
12,00
10,00
5,5cm/4,5cm
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Distância (cm)
Figura 3.9 - Gráfico de eficiência para circuito indutivo
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33
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Como é possível verificar no gráfico da Figura 3.9, a eficiência nas diversas
distâncias é bastante mais baixa que na técnica por ressonância, sendo que a 3cm de
distância a troca de energia entre bobinas é praticamente nula.
Na Tabela 12 têm-se os valores obtidos para as diversas distâncias.
Tabela 12 - Valores obtidos com circuito puramente indutivo
Primário
Secundário
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão (Vrms)
6,2
6,3
6,4
6,4
3
2,6
1,5
0,8
Corrente (mA)
43
42
42
42
10
8
3
1
Potência (mW)
266,6
264,6
268,8
268,8
30
20,8
4,5
0,8
Esta técnica mostrou-se assim com um desempenho muito abaixo da técnica por
acoplamento indutivo ressonante. De notar que existe uma maior estabilidade no que diz
respeito à potência debitada pela fonte, o que dá a entender que o acoplamento seja
bastante fraco.
Uma causa possível para o facto de se ter obtido resultados tão baixos, se deva
ao facto do conjunto físico apresentar indutâncias de dimensões muito reduzidas face ao
usual neste tipo de aplicações.
3.4 Implementação do bloco de retificação com filtragem
Implementado e testado o conjunto físico responsável pela troca de energia no
circuito final, passou-se para a implementação do circuito para alimentação da bateria.
Este circuito é basicamente constituído por um retificador de tensão com filtro à saída,
de forma se obter uma tensão mais contínua possível.
3.4.1 Circuito retificador
Para carregamento de uma bateria, é imperativo que a corrente alternada (AC)
que advém do circuito de ressonância de receção seja transformada em corrente
contínua (DC) de modo a impedir a mudança de fluxo de corrente elétrica no circuito e
com isso danificar a bateria. Para essa conversão, são usados circuitos retificadores que
convertem a tensão sinusoidal em tensão pulsada positiva, o que origina uma tensão
média não nula. Posteriormente é colocado um filtro de modo a reduzir as variações da
tensão de saída do retificador. [32]
Existem dois tipos de retificadores, retificadores de meia onda e retificadores de
onda completa. No caso de retificador de meia onda, apenas o semiciclo positivo da
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34
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
onda sinusoidal de entrada é utilizado, no caso dos retificadores de onda completa são
utilizados os dois semiciclos da onda sinusoidal de entrada.
A imagem seguinte mostra o circuito base retificador de meia onda.
Figura 3.10 - Retificador de meia onda
O seu funcionamento consiste em ter na entrada um sinal sinusoidal a
determinada frequência, em que num primeiro instante da onda (π) o ponto A vai ser
positivo em relação ao ponto B, o que resulta na polarização direta do díodo, levando a
que este conduza e assim permita a circulação de corrente na carga (RL). Num segundo
instante (2π) o díodo fica inversamente polarizado ficando ao corte e não conduz
resultando numa corrente nula à saída. Posto isto, têm-se na saída apenas corrente num
semiciclo o que origina uma quebra na eficiência à saída já que apenas um semiciclo é
aproveitado. Nesta configuração a frequência da onda de entrada e saída são
semelhantes não sendo alterada.
Para o retificador de onda completa existem dois tipos de configuração, uma em
que o enrolamento secundário está acessível ao exterior de modo a fornecer duas
tensões de igual valor, e outra configuração recorrendo a quatro díodos em ponte o que
faz provocar mais perdas devido à queda de tensão em maior numero de díodos mas
tendo a vantagem de dispensar o ponto médio do enrolamento secundário do
transformador, o que faz com que o enrolamento secundário tenha metade das
enrolamentos.[32]
A Figura 3.11 mostra um exemplo desta configuração, que é a mais popular
entre todos os circuitos retificadores. [32]
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35
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Figura 3.11 - Retificador de onda completa em ponte
Num primeiro instante da onda em que A é maior que B, os díodos 1 e 3 vão
ficar diretamente polarizados, o que vai permitir que a corrente circule até ao ponto B.
Num segundo instante da onda em que B é maior que A, os díodos 2 e 4 vão ficar
diretamente polarizados e a corrente vai circular novamente pela carga no mesmo
sentido desta feita até ao ponto A. Com isto, têm-se o aproveitamento de todos os
instantes da onda sinusoidal de entrada e na saída, que resultará em dois semiciclos
positivos.
A equação que permite calcular a tensão de saída de um retificador de onda
completa em ponte é a seguinte:
Vret =
= 0,637*Vmax = 0,9*Vrms [33]
(3.2)
Onde Vpp é a tensão de pico do sinal de entrada do retificador e Vd a tensão de
queda num díodo. Se ignorarmos a queda de potencial no díodo, é possível calcular a
tensão de saída do retificador, sabendo que esta corresponde a 63,7% do valor da tensão
de entrada de pico ou 90% do valor da tensão eficaz.
A eficiência desta configuração fica assim bastante dependente do tipo de díodos
a serem usados. De notar também que com esta configuração, a frequência à saída do
retificador é o dobro da frequência de entrada, perfazendo uma frequência de
Fret=2*165900=331800Hz.
Tendo em conta estas vantagens, foi escolhida esta configuração para ser usada
no circuito do protótipo. A maior preocupação passou pela escolha de díodos com a
menor queda possível (Vd), não descurando as principais características que estes
devem apresentar neste tipo de aplicação, a corrente máxima direta suportada e a tensão
de pico inversa sem que entre na região de rutura.
Díodos Schottky
Como explicado anteriormente, a escolha dos díodos é bastante importante para
a eficiência do retificador e consequentemente do circuito final. Não havendo díodos
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36
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
ideais, os díodos normalmente usados em projetos de alta frequência são os díodos
Schottky. [34]
Estes díodos têm como principais características o facto de possuírem um tempo
de comutação bastante baixo, baixa corrente de fuga no sentido inverso e o facto de
começarem a conduzir com uma tensão extremamente baixa, o que reduz a sua queda de
tensão entre o ânodo e o cátodo.[34] As suas desvantagens é que não permitem grandes
tensões inversas devido à sua natureza, caso contrário perderiam todas as vantagens face
aos díodos de silício comuns.
Após um breve estudo, a escolha recaiu na família de díodos Schottky 1N58171N5819 que correspondeu com características adequadas ao protótipo. A tabela seguinte
mostra algumas características importantes tidas em conta.
Tabela 13 - Características da família de díodos Schottky 1N5817-1N5819[35]
Característica
Símbolo
1N5817
1N5818
1N5819
Unidade
Tensão inversa de Pico
VRRM
20
30
40
V
Tensão inversa (RMS)
VR(RMS)
14
21
28
V
Corrente de saída retificada
Io
1A
A
Corrente de saída de Pico
IFSM
25
A
Queda de tensão para 1A
VFM
0,450
0,550
0,6
V
Pode-se verificar que esta família de díodos Schottky suporta de 14V a 28V de
tensão inversa RMS, o que é aproximadamente quatro vezes superior à tensão de pico
obtido (7,5V) no conjunto físico a implementar. Em termos de corrente suporta até 1A,
o que é bem superior aos 28mA obtidos de máximo. Numa última característica pode-se
verificar que a queda de tensão do díodo para 1A é inferior aos 0,7V dos díodos comuns
de silício. No entanto, esta queda de tensão é obtido com a corrente máxima suportada
pelo díodo (1A), e como a queda varia com a corrente que passa pelo díodo, é
expectável uma queda de tensão abaixo do anunciado.
A nível de tempo de recuperação (ou comutação) não é referenciado mas tendo
em conta a natureza do díodo que por norma apresentam tempos de recuperação na
ordem das dezenas de nanosegundos (ns), são suficientemente rápidos para suportarem
o tempo de comutação do sinal de saída do retificador que se situa na ordem dos
microssegundos, mais precisamente, T=1/(2*165900)=3.013µs.
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37
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
3.4.2 Filtragem
A retificação da onda à saída contudo, não é perfeitamente contínua e os
semiciclos positivos apresentam uma componente de corrente alternada que é
inadequada para alimentação de cargas de corrente contínua.
Na impossibilidade de eliminar essa componente na sua totalidade, é desejável
pelo menos a sua redução no menor valor possível e a maneira mais simples e usual
para isso é a aplicação de um condensador de alta capacitância à saída do retificador e
em paralelo com a carga. Este, durante os semiciclos positivos vai ser carregado e
durante as transições dos semiciclos manterá sempre a tensão de saída mais próxima da
tensão de pico (VP) visto o seu tempo de descarga menor.
Apesar da sua diminuição, a componente alternada continua presente, o que
significa uma ligeira variação na onda de saída, essa variação denomina-se por
“ripple”. Na Figura 3.12- Efeito de Ripple é representado esse efeito.
Figura 3.12- Efeito de Ripple
É possível verificar o comportamento do condensador a cada transição dos
semiciclos, devido ao seu tempo de descarga mais baixo que o tempo de descida da
tensão dos semiciclos, idealmente a tensão média na carga deve ser pouco inferior aos
valores de pico.
A equação que dá a tensão de ripple é a seguinte:
Vripple =
(3.3)
Pode-se assim concluir que a tensão de ripple é inversamente proporcional à
capacitância do condensador, sendo que o ideal é o Vripple ser o mais próximo de zero
possível (mínima variação) e daí que o aumento da capacitância do condensador seja
uma solução. No entanto, o aumento da capacitância por si só pode não ser suficiente
para manter a tensão média na carga perto dos valores de pico, quando na presença de
altas frequências, a resistência interna do condensador tende a baixar e com isso a ter
uma maior corrente de fuga. Daí a importância da escolha do condensador quanto ao
material, já que existem condensadores mais sensíveis às frequências que outros.
Como foi visto no capítulo 3.2.1, os condensadores com dielétricos de
polipropileno e cerâmicos classe 1 são os mais adequados para aplicações de alta
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38
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
frequência. No entanto, o valor máximo presente no laboratório para este tipo de
condensadores é de 100nF, o que segundo a equação (3.2) daria um Vripple=0,844v,
que representaria uma variação de cerca de 11%, longe do zero ideal. Na
impossibilidade de obter zero, a capacitância foi calculada para uma variação máxima
de 1% o que representa um Vripple=0,075V, e o que dá uma capacitância mínima de
C=1,125uF.
O tipo de condensador disponível para esta gama de valores, com características
adequadas é do tipo filme de poliéster metalizado. É um tipo de condensador que
apresenta boa rigidez dielétrica com a variação da temperatura mas que tem como
desvantagem a sua fraca tolerância em frequências na ordem dos MHz[36]. Visto que à
saída do retificador a frequência será na ordem dos 332kHz, estará ainda numa gama de
frequências com tolerância aceitável.
Posto isto, o condensador usado foi um BC MKT373 100V 4,7uF[36].
3.5 Testes ao circuito final sem bateria
Numa primeira fase, o circuito foi testado sem bateria tendo sido apenas
implementado o circuito retificador de onda completa. A carga usada nos testes
anteriores foi a mesma, de forma a estabelecer uma correlação entre os valores obtidos
pré retificação e os valores obtidos após aplicação do circuito retificador.
A Figura 3.13 mostra o circuito a ser implementado com retificador e carga.
Figura 3.13 - Circuito com retificador e carga
A tabela abaixo compara os valores de tensão obtidos no recetor antes da
retificação (Tabela 7) e os valores após retificação, medidos e teóricos.
Tabela 14 - Valores obtidos após retificação
Sem retificação
Com retificação
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão de pico medida (Vpp)
10,6
10,46
8,62
5,8
9.8
9,66
7,85
5,09
6,24
6,15
5
3,24
6.9
6,83
5,55
3,60
Tensão teórica (Vrms)
Tensão medida (Vrms)
7,5
7,4
6,1
4,1
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39
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
É possível verificar uma queda de tensão total de aproximadamente 800mV na
tensão de pico de cada semiciclo. Tendo em conta que por cada semiciclo, a corrente
percorre dois díodos, então cada díodo tem uma queda de 400mV.
Calculada a queda de tensão nos díodos, através da equação (3.2) calcularam-se
os valores teóricos para cada distância (representados na Tabela 14) e verificou-se uma
ligeira diferença entre os valores obtidos e os teóricos.
Também é possível constatar que conforme se aumenta a distância, e sendo a
corrente menor, as quedas nos díodos também diminui.
Circuito retificador com filtragem
Numa segunda fase, foi adicionado o filtro ao retificador, constituído por um
condensador. A figura a seguir, representa a adição do filtro ao circuito final.
Figura 3.14 - Circuito com retificação e filtragem
Os valores obtidos estão ilustrados na Tabela 15.
Tabela 15 - Comparação de valores pré retificação e após retificação
Sem retificação
Com retificação e filtragem
Distância
0,5cm
1cm
2cm
3cm
0,5cm
1cm
2cm
3cm
Tensão medida (Vrms)
7,5
7,4
6,1
4,1
7,4
7,3
5,8
3,70
Corrente medida (mA)
28
27
22
14
23
22,7
18,4
12,6
Potência medida (mW)
210
170,2 165,7 106,7
46,6
199,8 134,8
57,4
Apesar de uma tensão média superior em relação ao teste sem filtragem, é
possível verificar que o retificador com filtragem provoca perdas ao circuito, essas que
vão aumentando quanto maior a corrente.
De forma a ver se haveria ganhos substituindo o condensador do bloco de
filtragem, por condensadores com dielétricos usados normalmente em aplicações de
altas frequências, repetiram-se os testes substituindo o condensador. Numa primeira
instância foi testado com um condensador de polipropileno e numa segunda instância
com um cerâmico e ambos de 100nF, o que seria expectável um ripple próximo do 1V
como calculado atrás. O resultado obtido foi sensivelmente o mesmo, com a tensão
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40
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
média a situar-se nos mesmos valores, o que leva a concluir que para este nível de
frequência o resultado obtido será o possível.
3.6 Testes ao circuito final com bateria
Para os testes finais ao circuito, foi então adicionada a bateria de modo a
verificar o comportamento do sistema num caso de aplicação real.
Com a bateria inserida, foram realizados três testes diferentes: um primeiro com
o intuito de atestar a capacidade do sistema em carregar a bateria, um segundo teste de
forma a verificar a autonomia do circuito e um terceiro teste com o objetivo de apurar a
capacidade do sistema em carregar a bateria com a carga a consumir simultaneamente.
A Tabela 16 resume as configurações feitas ao circuito para realização dos
testes:
Tabela 16 - Configurações de teste ao circuito
Transmissor/Recetor
Bateria
Carga resistiva
Teste 1
Ligado
Descarregada
Retirada
Teste 2
Desligado
Carregada
Inserida
Teste 3
Ligado
Descarregada
Inserida
Objetivo
Capacidade de
carregamento
Autonomia
Capacidade de
carregamento
A inclusão da carga resistiva nos testes finais tem o objetivo de simular a carga
de um aparelho elétrico, que eventualmente estivesse ligado ao circuito. Desse modo,
num caso real onde o aparelho elétrico nunca pudesse ser desligado do circuito, nem
interrompida a sua alimentação, os testes 2 e 3 ditam a capacidade do sistema em
cumprir com esses requisitos.
A bateria usada trata-se de uma bateria LIR2025 normalmente usada em
dispositivos elétricos de pequeno porte e possui características adequadas aos valores do
protótipo. A Tabela 17 mostra algumas dessas características.
Tabela 17 - Características da bateria [37]
Característica
LIR2025
Tensão nominal
3.6V
Capacidade mínima
45mAh
Capacidade de carga nominal
4.2V/0.2C
Capacidade de carga máxima
4.2V/1C
Capacidade de descarga nominal
0.5C/2.75V
Capacidade de descarga máxima
1C/2.75V
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Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
Tendo uma tensão de carga recomendada de 4.2V, foi necessário regular a
tensão de saída para próximo da tensão de carga recomendada pelo fabricante da
bateria. Para isso foi colocado em paralelo com a bateria um díodo zener com tensão de
4.3V, um valor ligeiramente acima dos 4.2V ideais mas que não representa qualquer
problema na “saúde” da bateria. Deste modo, a distâncias mais curtas entre bobinas,
quando a tensão é mais elevada que os 4.3V (para distâncias abaixo dos 3cm como é
possível ver na Tabela 15), o díodo começa a conduzir no sentido inverso, mantendo a
tensão constante aos terminais em 4.3V.
O circuito implementado para carregamento da bateria (teste 1) é representado
pela figura seguinte:
Figura 3.15 - Circuito de carregamento da bateria
A bateria foi colocada descarregada aos terminais do circuito, estabeleceu-se a
ligação entre as bobinas e com uma distância intermédia de aproximadamente 2cm
monitorizou-se a sua corrente e tensão aos terminais.
Tensão (Volts)
4,75
4,25
Tensão na bateria
3,75
3,25
2,75
0
30
60
90
120
150
180
210 Tempo (minutos)
Figura 3.16 - Evolução de carga na bateria
Devido à menor resistência interna da bateria face à carga resistiva, a corrente à
entrada da bateria (I_bat) aumentou estabilizando-se nos 20mA, o que representa
aproximadamente uma corrente de carregamento de 0.45C, um valor muito próximo dos
0.5C definidos pelo fabricante. Isto quer dizer que a bateria foi carregada com uma
corrente que representa 45% da capacidade máxima da bateria (45mA), e que o
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42
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
fabricante define como nominal, uma corrente de carregamento de metade (50%) da sua
capacidade.
De seguida, foi reposta a carga no circuito obtendo-se assim o circuito final do
protótipo.
Figura 3.17 - Circuito final do protótipo
O facto de a carga ser colocada em paralelo com a bateria permite que mesmo
quando interrompida a alimentação principal do circuito de transmissão de energia, a
bateria garanta a alimentação à carga.
Era importante por isso efetuar duas medições, o tempo de carga e descarga da
bateria com a alimentação simultânea à carga resistiva. Num caso real, representaria o
tempo de carga da bateria numa situação onde nunca poderia ser interrompida a
alimentação à carga, e o tempo que a bateria demoraria a descarregar até valores
mínimos recomendados, sendo esse o tempo estimado que o utilizador teria até voltar a
estabelecer a ligação entre bobinas para recarregamento da mesma.
Iniciou-se o teste com a bateria completamente carregada e interrompendo a
ligação entre bobinas, mediu-se a autonomia do sistema até a bateria chegar aos valores
mínimos estabelecidos pelo fabricante.
O gráfico seguinte representa a evolução de descarga (teste 2) da bateria em
função do tempo.
Tensão (Volts)
4,25
Tensão na bateria
3,75
3,25
2,75
2,25
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 Tempo (minutos)
Figura 3.18- Evolução de descarga da bateria
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43
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
O sistema atingiu uma autonomia de aproximadamente 280minutos (4horas e
20minutos). Este valor pode no entanto variar consoante a potência da carga, que neste
caso, tratando-se de uma resistência de 360Ω com uma diferença de potencial nominal
de 3.6V, resulta numa potência de 36mW. Também o facto de a bateria só atingir a sua
capacidade máxima após alguns ciclos, influência a autonomia.
Como ultimo teste, foi estabelecida novamente a ligação das bobinas (teste 3)
para os mesmos 2cm de distância do primeiro teste de carga.
Tensão (Volts)
4,75
4,25
Tensão na bateria
3,75
3,25
2,75
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 Tempo (minutos)
Figura 3.19 - Evolução de carga da bateria
Para estas condições, o tempo de carregamento foi de aproximadamente 6horas e
20minutos (380minutos), sensivelmente o dobro do tempo de carga sem a carga
resistiva, o que era previsível e é explicado pelo facto de apenas metade da corrente que
percorre o circuito recetor ser aproveitado pela bateria, já que a carga resistiva consumia
cerca de 10mA.
A fase final de carga foi definida quando a corrente consumida pela bateria
atingiu um mínimo de 0.01C, ou seja, 0.45mA, que significa carga completa segundo o
fabricante da bateria.[37]
Como nota final, ressalvar que os valores obtidos são para os ciclos de carga e
descarga da bateria por completo, sendo este variáveis conforme o estado da capacidade
da bateria em cada ato.
3.6.1 Análise aos resultados obtidos
Após a realização de todos os testes, pode-se concluir que os resultados obtidos
são satisfatórios tendo em conta que realizam os objetivos pressupostos.
Foi notória a perda de potência na carga com a implementação do bloco de
retificação e filtragem, o que é natural devido ao facto de não haver componentes ideais
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44
Capítulo 3 – Procedimento e Resultados
com perdas nulas. No entanto, tentou-se que essas perdas fossem mínimas ao serem
escolhidos componentes o mais específicos possíveis a este tipo de aplicações.
O bloco de filtragem foi o que obteve um comportamento mais crítico ao se
conseguir apenas uma tensão média de cerca de 75% da tensão de pico de saída do
bloco retificador, o que pode ser explicado devido às correntes de fuga no condensador
a altas frequências.
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45
Capítulo 4
Conclusões e Trabalho Futuro
Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões desta dissertação,
fazendo uma análise geral aos resultados e objetivos atingidos.
Por fim, são apresentados algumas sugestões a ter em conta num eventual
trabalho futuro.
4.1 Análise Geral
Os principais objetivos desta dissertação passavam pelo estudo das duas
principais técnicas de transmissão de energia sem fios, a transferência de energia por
indução magnética e a transferência de energia por acoplamento indutivo ressonante,
escolhendo a técnica que apresentasse mais vantagens a nível de eficiência, para
implementar num protótipo que partilhasse algumas das restrições que os aparelhos da
área da saúde enfrentam.
De modo a complementar os objetivos anteriores, foi realizado um estudo a nível
teórico das duas técnicas focando aspetos como a indução mútua e coeficiente de
acoplamento.
No capítulo 3 foram realizados testes a diversos conjuntos físicos de bobinas de
dimensões diferentes recorrendo à técnica por acoplamento indutivo ressonante e
elegeu-se o conjunto físico que apresentou melhor eficiência ao longo das distâncias
conseguindo uma eficiência até 80%.
Nas mesmas condições, foram também realizados testes recorrendo à técnica por
indução magnética de forma a se proceder a uma comparação prática entre as duas
técnicas e rapidamente se concluiu que seria inviável para a implementação no
protótipo.
Posteriormente foram realizados os testes finais para carregamento de uma
bateria de pequeno porte de 3.6V. Antes disso foi necessário implementar um circuito
de conversão de corrente alternada para corrente contínua e que devido às perdas no
condensador a este nível de frequência apenas foi possível aproveitar 75% da tensão de
pico da onda. Os testes consistiram em determinar o tempo de carregamento da bateria
com e sem carga, de forma a simular o caso real em que uma bateria é carregada
enquanto simultaneamente alimenta um aparelho elétrico.
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46
Capitulo 3 – Procedimento e Resultados
Posto isto, é notório que as distâncias obtidas nunca poderiam ser as praticadas
por um sistema final de implante médico real, sendo para isso necessário um conjunto
físico de bobinas de elevado rigor de construção.
Serviu então a presente dissertação, para demonstrar algumas das dificuldade
que existe atualmente na implementação deste tipo de sistemas, como também o seu
potencial face à técnica por indução magnética.
4.2 Propostas de trabalho futuro
Com o desenvolvimento deste trabalho, foram surgindo algumas limitações
essencialmente ao nível de material, que num futuro sendo colmatadas, poderiam trazer
benefícios a nível das distâncias obtidas, destaca-se por exemplo o facto de as bobinas
terem sido desenvolvidas manualmente e sem o rigor de bobinas realizadas por
fabricantes especializados, o que originaram muitas perdas parasitas.
Seria também importante a medição do campo elétrico e do campo magnético de
forma a confrontar os valores obtidos com os valores máximos admitidos na exposição
aos seres vivos.
4.3 Contribuições
O trabalho desenvolvido durante a dissertação teve uma contribuição
essencialmente a nível de comprovação de alguns factos teóricos e físicos.
O facto desta tecnologia ainda se encontrar numa fase experimental na área da
saúde devido às restrições impostas, pretende-se que o trabalho exponha algumas das
contrariedades encontradas no desenvolvimento de projetos deste tipo para a área.
O protótipo construído pode servir de base para um futuro projeto de aplicação
real.
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47
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João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho
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