"Elektroninės grindys" per atstumą maitinančios buitinius prietaisus

Tokijo universiteto mokslininkų grupė sukūrė lanksčią plastikinę dangą, kuri gali perduoti elektros energiją ant jos esantiems prietaisams, nenaudojant elektros laidų.

Ant plono ir lankstaus plastiko pagrindo elektronikos komponentai yra tiesiog atspausdinami naudojant „elektroninio rašalo“ technologiją. Apie šį „elektroninį rašalą“ mes jau rašėme prieš gerą pusmetį, o dabar tenka pakalbėti apie dar vieną šios technologijos praktinį pritaikymą, galbūt ateityje radikaliai pakeisiantį elektroninės aparatūros maitinimo ir projektavimo principus.

Pati idėja labai paprasta – induktyvinės ritės sukuria elektromagnetinį lauką, kuris savu ruoštu kitoje ritėje indukuoja elektros srovę. Žodžiu nuotolinis energijos perdavimas panaudojant indukcijos efektu. Tokiu principu veikia ir transformatoriai, didinantys arba mažinantys elektros įtampą/srovę. Tad logiškas klausimas – kodėl panaudojant induktyvinį metodą per nuotolį neužmaitinus elektroninės aparatūros. Pavyzdžiui, belaides peles užmaitinti per kilimėlį, kuris induktyviniu būdų perduotų energiją kad ir iš standartinio USB kanalo. Idėja ir visai logiška, ir ne nauja – tokios pelės jau senokai egzistuoja ir keliaujantys po vakarų Europą galėjo netgi nusipirkti. Idėja iš ties žavinga, bet kodėl taip ir neišpopuliarėjo? Visa esmė – nuostoliuose.

Tai puikiai matyti šiuose Japonų mokslininkų atliktų tyrimų rezultatuose. Priklausomybėse parodyta naudingumo koeficiento (%) kitimas priklausomai nuo siųstuvinės (LT) ir imtuvinės (LR) ričių tarpusavio padėties. Kaip matote, d paveikslėlyje pavaizduota efektyvumo priklausomybė nuo vertikalaus atstumo – toks maitinimo metodas gali būti pritaikomas jeigu atstumas tarp ričių yra ne didesnis už 1 mm. Kitaip stipriai išauga nuostoliai ir norint užmaitinti pelę teks naudoti kilovatinius generatorius.

Ne ką mažesnė problema, jeigu ritės persistumia viena šalia kitos (e paveiksliukas)– norint pasiekti patenkinamą perdavimo koeficientą, reikia jas idealiai sutapatinti – centrinių ašių nesutapimas negali viršyti 1 mm. Problemos sprendimui tenka arba naudoti didelio diametro maitinamą ritę, kas yra sunkiai realizuojama arba labai daug maitinimo ričių, iš kurių įjungiamos tik tos, kurių centrinės ašys sutampa su maitinimo ritės ašimis. Bet kaip tai automatiškai nustatyti ir kokiu būdų atlikti komutavimą?

Štai todėl ši technologija ir nepaplito, nes ilgą laiką nebuvo išspręsti šie klausimai. Dabar Tokijo mokslininkai pagamino pirmąjį laboratorinį prototipą, išsprendžiantį šias problemas. Visų pirma, naudojant „elektroninį rašalą“ ant plastikinės dangos suformuojami du ričių sluoksniai – pirmasis maitinimui, antrasis kaip padėties jutikliai, nustatantys ant kurių maitinimo ričių pastatytas objektas. Tokiu būdų suformuojamos 10 mm skersmens plokščios vario ritės; jų vijų diametras bei atstumas tarp jų – tik 100 mikrometrų. Jutiklinėm ritėm valdyti suformuojama schema iš organinių lauko tranzistorių, o komutavimui naudojama MEMS (mikroelektromechaninė sistema) technologija. Taip gaunamas elektroninės dangos „sumuštinis“.

Pažvelkime atidžiau, kaip viskas realizuota. Elektroninė danga sudaryta iš 4 pagrindinių sluoksnių, atliekančių dvi esmines funkcijas – aptikti pastatyto maitinamo objekto vietą ir būtent toje vietoje sukurti indukuotą elektromagnetinį lauką.

Viršutinis sluoksnis atsakingas už šio elektromagnetinio lauko sukūrimą – jame suformuota maitinimo ričių matrica.

Antrasis sluoksnis nuo viršaus – komutavimo dalis. Ji atsakinga už reikiamų maitinimo relių įjungimą.

Trečiasis sluoksnis skirtas pozicionavimo ričių matricos suformavimui.

O ketvirtasis atsakingas už pozicionavimo ričių nuolatinį apklausinėjimą ir konkrečios pozicijos nustatymą. Tam naudojami organinių lauko tranzistorių matrica, išdėstyta kaip paprasta klaviatūra.

Toliau dar išsamiau panagrinėkime pačią pozicionavimo sistemą. Pateiktame paveiksliuke išdidintas trečio (a) ir ketvirto (b) sluoksnių vaizdas bei pateiktos jų struktūrinės schemos. Kaip matyti iš struktūros, ypač keblu suformuoti organinių FET tranzistorių matricą. Štai čia didelį žingsnį į priekį ir leido padaryti „elektroninio rašalo“ technologija.

Toliau pati jutiklio schema. Tie, kas domisi skaitmenine elektronika – esmę supras iš karto. Tai tipinė klaviatūros tipo matrica, suformuojanti eilutes (WL1) ir stulpelius (BL1). Pagrindinis skirtumas nuo standartinės klaviatūros principo – papildomas kintamo signalo generatorius (AC), išduodantis 2.95 MHz signalą. Jis skirtas užmaitinti jutiklines rites. Toliau viskas standartiškai – į eilutes paeiliui paduodama FET tranzistorius įjungianti įtampa ir nuskaitomi visi stulpeliai. Jeigu stulpelyje aptinkamas pakitęs įtampos lygis iš karto nustatoma jo pozicija – aktyvi eilutė ir stulpelis žinomas, belieka surasti jų susikirtimo tašką. Pats sensorinės matricos principas yra labai paprastas ir aiškus, kiek daugiau klausimų kyla, kokiu būdų stulpeliuose kinta įtampos reikšmės.

Tam reikia išsididinti vieną iš sensorinės matricos taškų. Kaip matyti a paveikslėlyje, kiekvienas matricos segmentas sudarytas iš lauko tranzistoriaus FET, į valdymo užtūrą paduodamo signalo VGS ir tranzistoriaus grandinėje įjungtos jutiklinės ritės su 10 MΩ apkrovos rezistoriumi, nuo kurio ir nuimama tikrinama stulpelio įtampa (Vs).

Visa esmė tame, jog jutiklinės ritės induktyvinė varža kinta nuo atstumo iki maitinamo objekto induktyvinės ritės. Jeigu atstumas yra begalinis (kitaip sakant maitinimo objektas nepadėtas ant dangos), o į tranzistoriaus užtūrą paduotas -60V atdarymo signalas, ant matuojamos varžos nusistovi 10 V įtampa (Vs – a grafikas).

Atstumui tarp jutiklinės (Ls) ir maitinamos (Lr) ritės sumažėjus iki 20-25 mm, prasideda saviindukcijos efektai ir Vs įtampa ima mažėti. Kai atstumas pasidaro mažesnis už 1-2 mm (objektas padėtas konkrečiai ant tos jutiklinės ritės), įtampa (Vs) matricos stulpelyje nukrenta iki 1V (b ir c grafikai).

Taigi, padėties nustatymas išspręstas. Kaip vyksta reikiamos maitinimo ritės įjungimas ir signalo atidavimas? Pirmiausia panagrinėkime maitinamos dalies struktūrą. Paveikslėlyje a parodyta maitinimo ritės struktūra ir nuotrauka, o b – MEMS komutatoriaus nuotrauka ir struktūra.

MEMS šiuo atveju vaidina tipinės mikro relės vaidmenį – sukomutuoja reikiamą maitinimo ritės grandinę. Komutavimas realizuotas matricos pavidalu, analogišku kaip ir jutiklinėje dalyje. Skirtumas tas, jog šio matricoje signalai paduodami ne tik į eilutę, bet ir į stulpelį, tokiu būdų įjungiamas reikiamas komutatorius. Visos komutavimo matricos veikimo principas yra identiškas indikacinių matricų veikimo principui.

Kaip realizuotas pats MEMS komutatorius galima matyti jo išdidintoje nuotraukoje (a paveikslėlis). Valdomas jis signalu Vop. Kai Vop pakinta nuo 0V iki 70V, komutatorius sujungia kontaktus ir jų varža kinta nuo 106 Ω iki 15 Ω (b paveikslėlis). Grafike c vaizduojama komutatoriaus varžos priklausomybė nuo komutavimo dažnio.

Taigi, ką rezultate turime? Pilnai veikiančią elektroninę grindų dangą, kurios struktūrinė valdymo schema yra tokia:

Tokio belaidžio elektros energijos prietaiso veiksmingumas buvo gana didelis – net 62 proc. (o tai kol kas tik laboratorinis prototipas), o perduodama galia – 30 vatų. To pakaktų daugeliui šiuolaikinių elektronikos prietaisų ir net darbo vietos apšvietimui. Visgi šis galingumas yra ribinis ir pasiekiamas tik tuo atveju, kai maitinimo ritė geometriškai sutampa su maitinamos įrangos rele.

Grafikuose (b) ir (d) pateiktos gautos eksperimentinių rezultatų charakteristikos.

Kol kas tokios dangos matmenys – 1 mm storio kvadratas, turintis 21 cm kraštinę, tačiau neabejojama, kad „elektroninio rašalo“ spausdinimo technologija bus galima pagaminti ir gerokai didesnes dangas.

Kol kas mokslininkai pademonstravo jo veikimą, įžiebdami ant tokios dangos pastatytos Kalėdų eglutės šviesos diodus (jų 21, kiekvieno galia – 2 W) bei saugumą, uždegdami šviesos diodą, panardintą į indą su vandeniu ir plaukiojančia žuvele.

Nors tai tik prototipas, tačiau jau dabar imama įsivaizduoti, kaip galėtų atrodyti ateitis, jei visų namų grindys būtų padengtos tokia medžiaga. Pamirštumėm ką reiškia laidai ir elektros lizdų stygius. Tačiau ar tuo pačiu nepamirštumėm kas yra sveikata? Visgi elektromagnetinio lauko intensyvumas būtų didesnis nei laidus. Be to ir tokio dangos patikimumas kelia klausimų – joje sukištos kelių sluoksnių matricos, MEMS technologija – visa tai gali nesunkiai mechaniškai pasižeisti, tarkim panorėjus į grindi įkalti vinį.

Bet kai kuriose vietose ši technologija iš ties yra viliojanti ir daug žadanti. 

 

 

 

Parengta pagal:

  • A large-area flexible wireless power transmission sheet
    using printed plastic MEMS switches and organic field-effect transistors
  • Sukurta lanksti danga, galinti be laidų perduoti elektros energiją
  • Elektrai laidžių paveikslėlių spausdinimo technologija
   

Facebook komentarai