admin
Yazar: Selçuk Dikici
Özet
Kablosuz elektrik enerjisi aktarımı, indüktif kuplaj ve rezonans prensiplerine dayalı bir teknolojidir. Bu çalışmada, 10 W güç aktarabilen bir sistem tasarlanmış ve deneysel olarak uygulanmıştır. Tasarlanan sistem, 12 V DC giriş gerilimini kullanarak yaklaşık 5 V / 2 A çıkış gücü sağlamaktadır. Çalışma kapsamında tasarım prensipleri, bileşen seçimi, deneysel düzenek ve elde edilen sonuçlar sunulmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Kablosuz güç aktarımı, indüktif kuplaj, rezonans, verimlilik
1. Giriş
Son yıllarda kablosuz güç aktarım teknolojileri, mobil cihazların şarj edilmesinden elektrikli araçlara kadar geniş bir uygulama alanına sahip olmuştur. Kablolara duyulan ihtiyacın ortadan kalkması, kullanıcı konforunu artırmanın yanı sıra güvenlik ve tasarım açısından da avantaj sağlamaktadır. Düşük güç sınıfında gerçekleştirilen sistemler, özellikle indüktif kuplaj ve rezonans prensiplerine dayalı olarak tasarlanmaktadır. Bu çalışmada, 10 W çıkış gücüne sahip küçük ölçekli bir prototip sistem ele alınmıştır.
2. Teorik Arka Plan
Kablosuz enerji aktarımı, verici bobin üzerinden oluşturulan manyetik alanın alıcı bobin tarafından indüklenmesi prensibine dayanır. Bu süreçte iki önemli parametre öne çıkar: bobinler arası kuplaj katsayısı ve devrenin rezonans frekansı. Kuplaj katsayısı, bobinlerin geometrisine, hizalanmasına ve aralarındaki mesafeye bağlı olarak değişmektedir. Rezonans frekansı ise bobin ve kondansatör değerlerinin uyumlu seçilmesiyle sağlanır. Yüksek kaliteli (Q faktörü yüksek) bobinler, enerji aktarım verimliliğini artırmaktadır.
3. Sistem Tasarımı
Çalışmada tasarlanan sistem, seri–seri rezonans topolojisine dayanmaktadır. Verici tarafında 12 V DC besleme ile çalışan bir yarım köprü sürücü kullanılmış, çıkış ise rezonans devresine bağlanarak manyetik alan oluşturulmuştur. Alıcı tarafında benzer bir rezonans devresi, doğrultucu ve gerilim regülatörü yer almaktadır. Hedeflenen çıkış gücü 5 V / 2 A olup toplamda yaklaşık 10 W değerine ulaşılmıştır.
Bobinler 10 mikrohenri değerine yakın olacak şekilde tasarlanmış, rezonansın sağlanması için 120 nanofarad kapasitör kullanılmıştır. Verici tarafında IRLZ44N tip MOSFET’ler ve IR2101 gate sürücü tercih edilmiştir. Alıcı tarafında ise Schottky diyotlarla doğrultma yapılmış ve MP1584EN tabanlı bir buck dönüştürücü ile çıkış gerilimi 5 V’a regüle edilmiştir.
4. Deneysel Düzenek
Bobinler, yaklaşık 50 mm çapında ve Litz tel kullanılarak sarılmıştır. Manyetik alan kayıplarını azaltmak amacıyla ferrit tabanlı bir yapı tercih edilmiştir. Ölçümler, LCR metre ile endüktans ve rezonans doğrulaması yapılarak, osiloskop aracılığıyla dalga formları incelenerek gerçekleştirilmiştir. Çıkış yükü olarak 5 V / 2 A çekebilen dirençli yükler kullanılmıştır.
5. Bulgular ve Tartışma
Deneysel çalışmalar sonucunda sistemin 10 W seviyesinde güç aktarabildiği doğrulanmıştır. Verimlilik değerleri, bobinlerin hizalanmasına bağlı olarak %70 ile %80 arasında değişmiştir. Bobinlerin tam hizalanmadığı veya mesafenin arttığı durumlarda verimlilik önemli ölçüde düşmüştür. Schottky diyotlarla doğrultma kullanılan basit sistemlerde kayıplar daha yüksek gözlenmiş, senkron doğrultma yöntemleriyle verimliliğin artırılabileceği belirlenmiştir.
6. Sonuç
Bu çalışmada, 10 W gücünde kablosuz enerji aktarımı gerçekleştiren bir sistem tasarlanmış ve test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, rezonans frekansının doğru seçilmesi, bobin tasarımının özenle yapılması ve uygun bileşenlerin tercih edilmesinin sistem performansı açısından kritik olduğunu göstermiştir. Gelecek çalışmalarda, daha yüksek güç seviyeleri için senkron doğrultma, gelişmiş soğutma çözümleri ve kontrol algoritmaları üzerinde durulması önerilmektedir.
Kaynaklar
- Kursun, E., & Yılmaz, T. (2022). Kablosuz Güç Aktarımı Teknolojileri ve Uygulamaları. Elektrik Elektronik Dergisi, 15(2), 45-59.
- Sample, A., Waters, B., Yeager, D., & Smith, J. (2013). Enabling seamless wireless power delivery in dynamic environments. Proceedings of the IEEE, 101(6), 1343–1358.
- Kursun, C. (2019). Design and Optimization of Resonant Inductive Wireless Power Transfer Systems. IEEE Transactions on Power Electronics, 34(12), 12012–12025.
