João Filipe Vieira Aguiar - repositorium.sdum.uminho.pt · Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias João Filipe Vieira Aguiar UMinho | 2013 outubro de 2013

João Filipe Vieira Aguiar

Transferência de Energia sem fios paracarregamento de baterias

João

Filip

e Vi

eira

Agui

ar

outubro de 2013UMin

ho |

201

3Tr

ansf

erên

cia

de E

nerg

ia s

em fi

os p

ara

carr

egam

ento

de

bate

rias

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2013

Tese de MestradoEngenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor José Gerardo Vieira da Rocha

João Filipe Vieira Aguiar

Transferência de Energia sem fios paracarregamento de baterias

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

“A life spent making mistakes is not only more honorable, but more useful than a life

spent doing nothing”

George Bernard Shaw

Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias

iv João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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!


v João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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.

Resumo


vi João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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

ressonante.


vii João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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.


viii João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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


ix João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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


x João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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


xi João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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


xii João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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.

Pi π 3,14159…


1 João Filipe Vieira Aguiar – Universidade do Minho

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

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

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.

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.




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.




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




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.




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.




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]




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]




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]



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




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




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

http://www.priberam.pt/dlpo/resson%C3%A2ncia




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:




(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.




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.




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:




r1 representa assim o raio interno e r2 o raio externo, em polegadas.



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.

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




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.




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.




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.




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.




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:




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 (%)




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


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)




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



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.


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.


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 55µH

L2 53,3µH 80µH 77,5µH 50,4µH 80,5µH 46,2µH


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.




Em relação às eficiências, no gráfico seguinte são mostrados os resultados

obtidos:

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



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.


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

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

6,5cm/4,5cm

6,5cm/3,5cm

6,5cm/3cm

6,5cm/2,5cm

6,5cm/2cm

6,5cm/1,5cm

Distância (cm)

Eficiência (%)




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.


1

(1,5cm)

2

(2cm)

3

(2,5cm)

4

(3cm)

5

(3,5cm)

6

(4,5cm)

Fressonância

(Hz)

Teórico 119968 121887 151144 119594 157866

Prático 122500 122500 155300 122500 165900

L1 55µH

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:

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.

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

7,5cm/4,5cm

7,5cm/3,5cm

7,5cm/3cm

7,5cm/2,5cm

7,5cm/2cm

Distância (cm)

Eficiência (%)




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



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:




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.

Figura 3.9 - Gráfico de eficiência para circuito indutivo

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

5,5cm/4,5cm

Distância (cm)

Eficiência (%)




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



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




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]




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




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 1N5817-

1N5819 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.




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




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


Tensão de pico medida (Vpp) 10,6 10,46 8,62 5,8 9.8 9,66 7,85 5,09

Tensão teórica (Vrms) 6,24 6,15 5 3,24

Tensão medida (Vrms) 7,5 7,4 6,1 4,1 6.9 6,83 5,55 3,60




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


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) 210 199,8 134,8 57,4 170,2 165,7 106,7 46,6

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




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 Objetivo

Teste 1 Ligado Descarregada Retirada Capacidade de

carregamento

Teste 2 Desligado Carregada Inserida Autonomia

Teste 3 Ligado Descarregada Inserida 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




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.

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

2,75

3,25

3,75

4,25

4,75

0 30 60 90 120 150 180 210

Tensão na bateria

Tempo (minutos)

Tensão (Volts)




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.

Figura 3.18- Evolução de descarga da bateria

2,25

2,75

3,25

3,75

4,25

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Tensão na bateria

Tensão (Volts)

Tempo (minutos)




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.

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

2,75

3,25

3,75

4,25

4,75

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390

Tensão na bateria

Tempo (minutos)

Tensão (Volts)




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.



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.

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.

Transferência de Energia/carregamento de baterias sem fios


Referências

[1] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic,

“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances.,” Science (New

York, N.Y.), vol. 317, no. 5834, pp. 83–6, Jul. 2007.

[2] J. Zhao, G. Xu, C. Zhang, W. Zhang, and X. Li, “A Contrastive Studies between

Magnetic Coupling Resonance and Electromagnetic Induction in Wireless Energy

Transmission,” no. 11, pp. 0–3, 2012.

[3] F. Zhang, S. a Hackworth, X. Liu, H. Chen, R. J. Sclabassi, and M. Sun, “Wireless

energy transfer platform for medical sensors and implantable devices.,” Conference

proceedings : ... Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine

and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference,

vol. 2009, pp. 1045–8, Jan. 2009.

[4] S. Bhuyan, S. K. Panda, K. Sivanand, and R. Kumar, “A compact resonace-based

wireless energy transfer system for implanted electronic devices,” 2011 International

Conference on Energy, Automation and Signal, pp. 1–3, Dec. 2011.

[5] WiTricity Corporation, “Safe , Efficient , and over Distance.” WiTricity Corporation, pp.

1–9.

[6] J. Hartford, “Wireless Power for Medical Devices,” Electronic Components, 2013.

[Online]. Available: http://www.mddionline.com/article/wireless-power-medical-

devices. [Accessed: 20-Sep-2013].

[7] P. Williams, “Michael Faraday,” Encyclopedia Britannica. [Online]. Available:

http://www.britannica.com/EBchecked/topic/201705/Michael-Faraday. [Accessed: 05-

Nov-2012].

[8] M. Faraday, Experimental Researches in Electricity, Vol 1. London: Printers and

publisher to the University of London, 1839, p. xv.

[9] P. J. O´Keefe, “Transformers and The Magic of Electricity,” Engineering Expert Witness

Blog, 2010. [Online]. Available: http://www.engineeringexpert.net/Engineering-Expert-

Witness-Blog/?tag=electromagnetic-induction.

[10] “Nikola tesla/Middle years,” Wikibooks, 2011. [Online]. Available:

http://en.wikibooks.org/wiki/Nikola_Tesla/Middle_years. [Accessed: 25-Oct-2012].

[11] Nokia, “Placa de carregamento sem fios Nokia DT-900,” pp. 1–7.

[12] Samsung, “Wireless Charging Cover,” 2013. [Online]. Available:

http://www.samsung.com/us/mobile/cell-phones-accessories/EP-CI950IWUSTA.

[Accessed: 23-Oct-2013].

[13] Samsung, “Kit Carregador Wireless,” 2013. [Online]. Available:

http://www.samsung.com/pt/consumer/mobile-phone/accessory/dock-chargers/EP-

P100IEWEGWW. [Accessed: 21-Oct-2013].

[14] “WiTricity Corp.” [Online]. Available: http://www.witricity.com/pages/technology.html.

[Accessed: 28-Dec-2012].

Referências



[15] IEEE, “C95.1-2005 - IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure

to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz,” 2006. [Online].

Available: http://standards.ieee.org/findstds/standard/C95.1-2005.html. [Accessed: 12-

Oct-2012].

[16] W. H. Organization, “Cardiovascular diseases (CVDs),” Fact sheet No317, 2013.

[Online]. Available: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/en/index.html.

[Accessed: 16-Sep-2013].

[17] B. H. Waters, a. P. Sample, P. Bonde, and J. R. Smith, “Powering a Ventricular Assist

Device (VAD) With the Free-Range Resonant Electrical Energy Delivery (FREE-D)

System,” Proceedings of the IEEE, vol. 100, no. 1, pp. 138–149, Jan. 2012.

[18] M. Portugal, “Português desenvolve um sistema transcutâneo não invasivo para

recarregar baterias de dispositivos médicos implantáveis .,” prime, pp. 1–3, 2013.

[19] Hannah Hickey, “Wireless power could cut cord for patients with implanted heart pumps

UW Today,” 2012. [Online]. Available:

http://www.washington.edu/news/2011/07/12/wireless-power-could-cut-cord-for-

patients-with-implanted-heart-pumps/. [Accessed: 09-Dec-2012].

[20] M. Ruta, F. Scioscia, E. Di Sciascio, P. Bari, and R. David, “A knowledge-based

framework enabling decision support in RFID solutions for healthcare,” pp. 1983–1988,

2010.

[21] M. Roberti, “The History of RFID,” RFID Journal, 2005. [Online]. Available:

http://www.rfidjournal.com/articles/view?1338. [Accessed: 20-Jan-2013].

[22] I. for Manufacturing, “Auto Cambridge Auto-ID lab.” [Online]. Available:

http://www.autoidlabs.org.uk/. [Accessed: 20-Jan-2013].

[23] G. RFID, “RFID Solutions for Healthcare Industry,” 2013. [Online]. Available:

http://healthcare.gaorfid.com/. [Accessed: 20-Jan-2013].

[24] F. More, O. F. Your, V. Time, R. On, and P. Care, “RFID Solutions for healthcare

reducing costs and improving operational efficiency focus more of your valuable time

and resources on pationt care,” RFID in HealthCare, pp. 1–8, 2011.

[25] C. Zhu, K. Liu, C. Yu, R. Ma, and H. Cheng, “Simulation and experimental analysis on

wireless energy transfer based on magnetic resonances,” 2008 IEEE Vehicle Power and

Propulsion Conference, pp. 1–4, Sep. 2008.

[26] P. Carriço, “Radiação electromagnética.” [Online]. Available:

http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/Stefan_Boltzmann/Radiao_electromagntica.ht

ml. [Accessed: 16-May-2012].

[27] S. J. Mazlouman, A. Mahanfar, and B. Kaminska, “Mid-range wireless energy transfer

using inductive resonance for wireless sensors,” 2009 IEEE International Conference on

Computer Design, pp. 517–522, Oct. 2009.

[28] M. Soares, “Bobinas,” 2004. [Online]. Available:

http://www.mspc.eng.br/eletrn/bobina100.shtml. [Accessed: 16-Oct-2012].

[29] S. L. Ho, J. Wang, W. N. Fu, and M. Sun, “A Comparative Study Between Novel

Witricity and Traditional Inductive Magnetic Coupling in Wireless Charging,” IEEE

Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 5, pp. 1522–1525, May 2011.

Referências



[30] E. Ag, “Film Capacitors General technical information,” EPCOS, no. May, pp. 1–42,

2009.

[31] S. M. Components, “General Technical Information 1 1.1,” Siemens. pp. 75–87.

[32] J. G. V. da Rocha, Díodos e transistores bipolares. Porto: Multitema, 2008.

[33] W. Storr, “Full Wave Rectifier,” Basic Eletronics tutorials, 2013. [Online]. Available:

http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_6.html. [Accessed: 06-Mar-2013].

[34] T. Cory and S. Solutions, “Schottky Diodes,” MPDIGEST, no. February, pp. 1–5, 2009.

[35] D. Incorporated, “1n5817 - 1n5819,” vol. DS23001 Re, pp. 1–3, 2003.

[36] V. BCcomponents, “MKT 373 Vishay BCcomponents Metallized Polyester Film,” vol.

91000, 2005.

[37] Xtra-Power Battery, “Li-ion Button-Cell Battery Li-ion Button Battery Specification

Model : LIR2025,” Xtra-Power, pp. 1–6.

Documents

João Filipe Vieira Aguiar - repositorium.sdum.uminho.pt · Transferência de Energia sem fios para carregamento de baterias João Filipe Vieira Aguiar UMinho | 2013 outubro de 2013