Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias

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João Filipe Vieira Aguiar

Transferência de Energia sem fios para

carregamento de baterias

João F ilipe V ieir a A guiar Transfer ência de Ener

gia sem fios para

car

regamento de bater

ias

Universidade do Minho

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Tese de Mestrado

Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor José Gerardo Vieira da Rocha

João Filipe Vieira Aguiar

Transferência de Energia sem fios para

carregamento de baterias

Universidade do Minho

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“A life spent making mistakes is not only more honorable, but more useful than a life spent doing nothing”

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Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias

iv

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!

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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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Resumo

vi

Palavras-Chave: Energia sem fios, indução magnética, acoplamento indutivo

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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.

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Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias viii

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

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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

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x

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 9 - Valores obtidos para caso 6 com D1=6,5cm... 30

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

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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)

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xii

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 3 x m.

Permeabilidade do vazio µ0 4π x N.

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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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Capítulo 1 - Introdução

2 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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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.

(18)

Capítulo 1 – Estado de Arte

4

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.

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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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6

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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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.

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8 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.

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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]

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10 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.

(25)

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]

(26)

12

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

(27)

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

(28)

14 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.

(29)

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

(30)

16 ̂ (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.

(31)

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.

(32)

18 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:

(33)

(34)

20

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.

(35)

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

(36)

22 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.

(37)

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 Reactância indutiva (100kHz) 33Ω 50,19Ω 48,75Ω 31,7Ω 50,5Ω 28,95Ω

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.

(38)

24 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/ Ohms/metro

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 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.

(39)

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.

(40)

26

Tabela 4 - Condições de teste para bobina transmissora de 4cm 1 (1,5cm) 2 (2cm) 3 (2,5cm) 4 (3cm) 5 (3,5cm) 6 (4,5cm) Fressonância (Hz) Teórico 146975 119968 121887 151144 119594 157866 Prático 151500 122500 122500 155300 122500 165900 L1 50µH 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:

(41)

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).

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4cm/4,5cm 4cm/3,5cm 4cm/3cm 4cm/2,5cm 4cm/2cm 4cm/1,5cm Distância (cm) Eficiência (%)

(42)

28

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 (1,5cm) 2 (2cm) 3 (2,5cm) 4 (3cm) 5 (3,5cm) 6 (4,5cm) Fressonância (Hz) Teórico 146975 119968 121887 151144 119594 157866 Prático 151500 122500 122500 155300 122500 165900 L1 40µH 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:

Figura 3.5 - Gráficos de eficiências para transmissor de 5,5cm e várias dimensões de recetores

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 5,5cm/4,5cm 5,5cm/3,5cm 5,5cm/3cm 5,5cm/2,5cm 5,5cm/2cm 5,5cm/1,5cm Eficiência (%) Distância (cm)