LUGLIO-AGOSTO 2014
AUTOMAZIONE OGGI 374
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AO
Tutorial
L’
utilizzo dei campi elettromagnetici come fonte
di energia elettrica risale alla fine dell’Ottocento,
quando Nikola Tesla dimostrò per la prima volta la
trasmissione di energia elettrica senza fili (Wireless
Power Transmission - WPT). Di recente, grazie all’ab-
battimento dei costi di implementazione e allo sviluppo di archi-
tetture a basso consumo, la trasmissione di energia senza fili si è
imposta come la tecnologia abilitante per lo sviluppo di sistemi
energeticamente autonomi, ossia sistemi privi di batterie a bordo
o, comunque, senza necessità di collegamento alla rete elettrica. I
vantaggi associati all’autonomia energetica di un generico dispo-
sitivo sono evidenti in tutte quelle applicazioni in cui il dispositivo
inquestionenonè‘facilmente accessibile’, per la sostituzionedelle
batterie o/e per la connessione dello stesso alla rete elettrica. Un
fattore chiave nella trasmissione wireless di energia è l’efficienza:
per poter definire efficace il sistema, una grande porzione dell’e-
nergia trasmessa dal generatore deve arrivare al dispositivo di
ricezione remoto.
Le condizioni ideali
Iltrasferimentodienergiaelettricasibasasulconcettodirisonanza,
che si ha quando due corpi che vibrano alla stessa frequenza, sta-
biliscono tra loro condizioni ideali per un trasferimentodi energia.
E ciò senza avere alcun effetto sugli altri oggetti che li circon-
dano, compresi gli esseri viventi. All’inizio non era né chiaro né
ovvio se il sistema potesse realmente funzionare, soprattutto
per i limiti imposti dai materiali attualmente disponibili. Oggi,
ricerche e studi in corso stanno valutando la possibilità di ali-
mentare senza cavi addirittura piccoli elettrodomestici di casa.
Alla base del progetto ci sono dunque due principi fisici: la legge
della mutua-induzione e la capacità delle onde radio di trasfe-
rire energia se convogliate su di una antenna. I tipi di processi di
accoppiamento induttivo che possono essere utilizzati per il tra-
sferimento wireless, sono l’accoppiamento induttivo standard e
l’accoppiamento induttivo risonante. Generalmente, l’accoppia-
mento induttivo standard è molto meno efficiente e praticabile
a una distanza di comunicazione relativamente breve, in quanto
la maggior parte del flusso magnetico non ‘collega’ direttamente
le due bobine (notevoli sono i flussi dispersi) e inoltre i campi
magnetici decadono velocemente. L’accoppiamento induttivo
risonante offre una maggiore efficienza e funziona anche a di-
stanze relativamente lunghe (vari metri), dato che la bobina ri-
sonante riduce sensibilmente le perdite di energia consentendo
il trasferimento dell’energia da una bobina all’altra. In pratica il
trasferimento wireless di energia può essere realizzato mediante
un collegamento in campo vicino o in campo lontano con la sor-
gente. Nel primo caso (near-field communication), il principio
adottato è quello dell’accoppiamento mediante induzione ma-
gnetica tradue risonatori,mentrenel secondo (far-fieldcommuni-
cation) è sfruttata la propagazione delle onde elettromagnetiche
mediante l’utilizzo di antenne. In entrambi i tipi di collegamento
l’energia elettromagnetica raccolta, in un caso da un risonatore
e nell’altro da un’antenna, viene convertita in corrente continua
mediante un circuito di rettifica opportunamente progettato. Per
tale motivo, nel caso di collegamento in campo lontano, l’intero
sistema prende il nome di rectenna (rectifying antenna), ossia an-
tenna che rettifica (figura 1).
Accoppiamento induttivo
L’accoppiamento induttivo standard utilizza invece due condut-
tori considerati accoppiati induttivamente in modo reciproco
o accoppiati magneticamente in modo da sfruttare il principio
dell’induzione elettromagnetica: ovvero quando un flusso ma-
Trasmissione di
energia senza fili
di
Stefano Maggi
Fig. 1 - Trasmissionewireless di potenza: collegamento in
campo vicino (sopra) e collegamento in campo lontano (sotto)
Fonte: wikimedia.org
La trasmissione di energia senza fili (Wireless Power Transmission)
si è imposta come tecnologia abilitante per lo sviluppo di sistemi
energeticamente autonomi, privi di batterie a bordo e che non
necessitano di collegamento alla rete elettrica
