A pesar
de que nuestro amigo Nikola Tesla lo había pensado ya hace casi un siglo, Hoy
en día es más común encontrar dispositivos que se alimentan con energía inalámbrica,
por ejemplo un caso muy común es el de las tarjetas RFID (aquellas tarjetas que
uno acerca al lector para abrir una puerta, o cargar crédito), otro caso es en
los telepeajes los cuales ya poseen una potencia mayor porque el telepeaje
suele estar unos cuantos metros alejada del transmisor. Es decir estas tecnologías
mencionadas son pasivas, y el funcionamiento es sencillo, se energiza de forma inalámbrica
dicho RFID y una vez que llega a la tensión requerida se activa un circuito de
radio que envía un id de forma inalámbrica al receptor en cuestión.
También
podemos ver teléfonos celulares que cargan su batería sin conectar ningún cable,
acercándolo a un dispositivo o bien apoyándolo sobre un dispositivo. La idea es
la misma que en el RFID solo que no se requiere de un transmisor de id (aunque
en algunos casos también se utiliza para validar el dispositivo y hacerlo menos
compatible).
Para
comprender el funcionamiento de este debemos abordar dos temas básicos,
Transformadores y Sintonizadores de Radio.
Como
podemos intuir cuando decimos transformador, nos imaginamos dos bobinas
aisladas arrolladas en un núcleo, la cual una es inductora y la otra es
inducida, es decir, una genera el campo magnético y la otra lo recibe, y en función
de la cantidad de espiras de cada una será la relación de transformación. Ejemplo
un transformador en el que entra 10V y salen 10V, es un transformador 1:1 es
decir que tiene la misma cantidad de espiras en el primario que en el
secundario. Si en cambio entran 10V y salen 5V, podemos decir que es un
transformador reductor 2:1 en donde la cantidad de espiras en el secundario será
la mitad de las del primario. Como podemos intuir si invertimos la relación entran
10V y salen 20V, entonces será 1:2, y el transformador será elevador.
Claro
que depende también de cómo se alimente el mismo, al tratarse de una bobina se
trata de un dispositivo para corriente alterna, pero en algunos casos se puede
encontrar con una continua pulsante, lo que varia dicha tensión de salida a
pesar de ser un transformador por ejemplo 1:2, a la salida podemos obtener un
valor mayor, ya que los inductores poseen características especiales.
Retomando,
en el caso de un transformador estándar para una fuente de alimentación lineal
por ejemplo de 220Vac a 12Vac, el mismo tendrá una relación aproximada de 20:1
y como suelen ver en la práctica los mismos se encuentran en un núcleo de
hierro tipo EI, estos transformadores están preparados (por cantidad de espiras
y núcleo) para trabajar en 50/60Hz, pero contemplando la idea de que a menor
espiras mayor frecuencia, si quisiéramos hacer un transformador que funcione a
1kHz, deberíamos tomar este, y reducirle su cantidad de espiras (todo debe ser
calculado).
Si
queremos por ejemplo hacer andar este transformador en 60kHz por ejemplo, la
cantidad de espiras será significativamente menor a la cantidad que posee en
50Hz, y esto no es lo único a modificar, ya que el núcleo juega un papel
importante, en función de la frecuencia el núcleo tendrá una respuesta
diferente que puede jugarnos a favor o en contra. Por diversas propiedades físicas,
a 60kHz nos será más eficiente un núcleo de ferrita, ahora bien, si tenemos un
transformador que tiene muchas menos vueltas y otro núcleo, que tamaño podría tener?,
bueno aquí viene la ventaja (entre otras), el tamaño y el peso son clave para
un dispositivo moderno. Si tomamos una fuente de PC actual y una fuente de PC
de hace 35 años, podemos notar 5kg de diferencia, y esto se debe al motivo
mencionado, la frecuencia de trabajo. Un transformador que posee solo 20
vueltas en su primario y 5 en su secundario (a modo ejemplo) es un transformador
que requiere menos cobre, por ende ocupa menor espacio. Si alguna vez
desarmaron una fuente Switching o SMPS, pueden ver un transformador diminuto o
un toroide, ese es el resultado de que el transformador opere a una frecuencia
mayor a los 50Hz convencionales. Claramente hay que forzar dicho transformador
ya que el suministro domiciliario funciona en 50Hz y tenemos que elevar dicha
frecuencia a 60kHz (valor promedio), para esto tenemos que rectificar, filtrar,
y hacer oscilar (switchear) nuestro transformador. Y en el secundario debemos
rectificar y filtrar esta tensión (los componentes serán de acuerdo a la
frecuencia de operación).
Retornando
al tema. Si aumentamos aun más la frecuencia RF, el núcleo como les comentaba
anteriormente debe seguir modificando su aspecto físico hasta llegar finalmente
al núcleo de Aire, el cual tiene una respuesta Lineal que nos permite una
correcta sintonía.
Ahora el siguiente tema, el sintonizador.
Como
podemos intuir en este caso como estamos trabajando con un circuito resonante
(donde el receptor debe estar en resonancia con el transmisor para obtener una excursión
máxima) debemos analizar un simple circuito LC tanque, este se trata de un
circuito resonante paralelo entre un inductor y un capacitor. Estos cumplen la función
de realimentarse uno al otro, es decir, cuando el capacitor acumula llega al límite
y descarga sobre la bobina, cuando la bobina acumula (campo magnético) se
descarga en sentido inverso en el capacitor y esto se repite todo el tiempo.
Para que
un circuito LC sea resonante la reactancia inductiva debe ser igual a la
reactancia capacitiva, es decir XL=Xc, las reactancias son los valores de
impedancia que representan cada uno de los componentes de este tanque en función
a la frecuencia, es decir, un capacitor de capacidad fija, varia su reactancia
en función de la frecuencia aplicada al mismo, la reactancia se mide en Ohms,
de ahí el tema de un filtro por ejemplo, que represente una resistencia grande
a una frecuencia determinada y una resistencia baja a otra frecuencia, entonces
(atenúa mas a un rango que a otro y eso es un filtro). Volviendo al tema, En
este dispositivo lo que hacemos es un transformador con núcleo de aire, es
decir un inductor sobre el otro inductor, donde uno es el que induce y el otro
es el inducido, entonces tenemos un transformador de núcleo de aire, que por
las características mencionadas anteriormente funciona en frecuencias de radio
(en nuestro caso alrededor de 500kHz) y necesitamos un circuito oscilador para
el primario (al igual que en una fuente SMPS), en nuestro circuito se ha
simplificado al máximo el circuito para una comprensión sencilla pero se puede
mejorar ampliamente y obtener mayores prestaciones.
En este
circuito podemos ver que el transmisor posee un transistor TIP31C (Debe montarse en un disipador) que se
encargara de switchear el inductor y nuestro inductor será con tres terminales,
es decir se arrollaran 30 espiras se creara una derivación y luego se seguirá arrollando
5 espiras mas.
Esto se
hace así por la relación de transformación para que el feedback de frecuencia
tenga un valor de tensión menor ya que es el que ingresara en la base de
nuestro transistor (adaptada mediante R1 y C1), Este feedback lo que hace es
tomar parte de la frecuencia del tanque LC (conformado por L1 pines 1 y 2, y
C2).
La
frecuencia de operación será la del circuito resonante LC.
En el
receptor se realizara un inductor L2 de las mismas características físicas, 30
espiras, y para que entre en resonancia con el transmisor se debe utilizar un
capacitor variable C3 (para sintonizar
dicha frecuencia al igual que lo hacemos en un receptor de radio.
Luego
rectificamos con el diodo 1N4004, y alimentamos un led.
Ambos
inductores serán de igual dimensiones, solo que el receptor no tendrá derivación
y solo serán 30 vueltas.
Las dimensiones
pueden ser modificadas y habrá que recalcular con las formulas de abajo.
Cálculos.
