I metodi attuali per caricare i dispositivi elettronici tramite la tecnologia wireless funzionano solo se i parametri generali del sistema sono impostati per corrispondere a una distanza di trasferimento specifica. Di conseguenza, questi metodi sono limitati ad applicazioni stazionarie di trasferimento di potenza, il che significa che un dispositivo che riceve energia deve mantenere una distanza specifica dalla sorgente che lo fornisce affinché il trasferimento di energia abbia successo.

I ricercatori della Stanford University hanno recentemente sviluppato una nuova tecnica che potrebbe consentire un trasferimento di energia wireless più efficiente indipendentemente dalla distanza tra un dispositivo e la sua fonte di alimentazione. La loro carta, pubblicato in Elettronica della natura , potrebbe aiutare a superare alcune delle attuali limitazioni degli strumenti esistenti per la ricarica wireless dei dispositivi elettronici.

"Lo scopo principale del nostro studio era superare la barriera alla ricarica wireless dinamica, "Sid Assawaworrarit, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "La nostra idea si basa sulla simmetria parity-time (simmetria PT), che riguarda i sistemi con guadagno e perdita bilanciati."

In uno dei loro studi precedenti, Assawaworrarit e il suo collega Shanhui Fan hanno introdotto una configurazione del circuito PT-simmetrico non lineare in grado di fornire un robusto trasferimento di potenza wireless, mantenendo questa capacità anche quando un dispositivo si muoveva rapidamente in un dato spazio. Mentre il loro sistema ha ottenuto risultati promettenti, la sua efficienza complessiva era tutt'altro che soddisfacente. Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno introdotto una strategia di progettazione che rende il loro sistema precedentemente sviluppato più robusto ed efficiente.

"La robustezza del nostro sistema è stata ottenuta incorporando un amplificatore come elemento di guadagno nel lato sorgente del nostro sistema di trasferimento di potenza wireless proposto, " Ha spiegato Assawaworrarit. "Il guadagno consente alle oscillazioni di accumularsi nel sistema nel tempo con la frequenza di oscillazione quella che cresce più velocemente. Questo è simile a ciò che accade in un oscillatore, tranne per il fatto che la fonte di alimentazione e il carico sono separati nello spazio".

L'autofrequenza del sistema è la frequenza alla quale un sistema funziona bene e che facilita il trasferimento efficiente di potenza a un dispositivo. Nel sistema ideato dai ricercatori, questa frequenza di oscillazione si autoadatta alle mutevoli condizioni, quale potrebbe essere il movimento del dispositivo che riceve energia in una scala temporale inferiore al millisecondo, mantenendo così un punto di trasferimento efficiente, anche quando il dispositivo è in rapido movimento.

"L'elevata efficienza del nostro sistema è stata ottenuta progettando attentamente il suo elemento di guadagno, " ha detto Assawaworrarit. "Un amplificatore standard, che è stato utilizzato nel nostro lavoro precedente, genera una versione amplificata di un segnale di ingresso ritagliando parte del suo alimentatore CC che non esce come oscillazioni in uscita, e quindi ha una bassa efficienza tipicamente dell'ordine del 50% o meno."

Utilizzando amplificatori a commutazione, Assawaworrarit e Fan sono stati in grado di prevenire la perdita di efficienza che ha ostacolato le prestazioni complessive della configurazione del circuito che hanno sviluppato nella loro ricerca precedente. Gli amplificatori che usavano prevenivano questa perdita di efficienza facendo funzionare un transistor come un interruttore controllato, che non consuma energia sia a sistema acceso che spento.

"Amplificatori a commutazione, però, sono generalmente progettati per una banda di frequenza operativa stretta, a causa della necessità di soddisfare una condizione di commutazione efficiente e potenza di uscita, che sono tipicamente sensibili alla frequenza, " ha detto Assawaworrarit. "Con il design del circuito giusto, i contributi di accoppiamento e le variazioni di autofrequenza nella distanza di trasferimento si annullano, e quindi, la condizione di commutazione efficiente può essere mantenuta per un'ampia gamma di distanze di trasferimento."

Il vantaggio chiave del nuovo sistema di ricarica wireless ideato dai ricercatori è la sua robustezza, indipendentemente dalla distanza di un dispositivo dalla fonte di alimentazione. Il sistema può adattarsi rapidamente in tempi inferiori al millisecondo, il che significa che potrebbe consentire la ricarica wireless remota anche quando un dispositivo si muove a velocità molto elevate, ad esempio, se il dispositivo in questione è un'auto che sfreccia in autostrada.

"Questo studio rappresenta contributi sostanziali sia in teoria che in pratica, " Fan, l'altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "In termini di contributi teorici, il nostro lavoro sottolinea l'importanza della non linearità sulla dinamica dei sistemi PT-simmetrici. Sul lato pratico, il nostro lavoro rappresenta un passo importante verso il trasferimento dinamico di potenza wireless, dimostrando che un tale trasferimento può essere eseguito in modo robusto ed efficiente".

In una serie di test iniziali, il nuovo sistema ha ottenuto risultati notevoli, poiché è stato in grado di trasferire efficacemente circa 10 W di potenza tramite la tecnologia wireless a un dispositivo in movimento che si trovava a distanze comprese tra 0 e 65 cm dalla sorgente, con un rendimento totale pressoché costante del 92%. Nel futuro, il sistema potrebbe essere ulteriormente migliorato per consentire il trasferimento di maggiori quantità di energia da una gamma di distanze ancora più ampia.

"Ci sono alcune strade che vale la pena esplorare nei nostri prossimi studi, " ha detto Assawaworrarit. "Per alcune applicazioni, come caricare un'auto in movimento, è vantaggioso avere una serie di bobine sorgente incorporate sotto la carreggiata. In tal caso, dovrebbero essere utili studi sulla loro collocazione e interazione ottimali. È importante anche aumentare ulteriormente la quantità di potenza che viene trasferita, soprattutto per le applicazioni sui veicoli."

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