Технология передачи электроэнергии по Wi-Fi

Введение в беспроводную передачу электрической энергии

Основы беспроводной зарядки

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) дает нам шанс избавиться от тирании кабелей питания. В настоящее время эта технология проникает во все виды устройств и систем. Давайте взглянем на нее!

Беспроводной путь

Большинство современных жилых домов и коммерческих зданий питаются от сетей переменного тока. Электростанции генерируют электричество переменного тока, которое доставляется в дома и офисы с помощью высоковольтных линий электропередачи и понижающих трансформаторов.

Электричество поступает в распределительный щит, а затем электропроводка доставляет электричество к оборудованию и устройствам, которые мы используем каждый день: светильники, кухонная техника, зарядные устройства и так далее.

Все компоненты стандартизованы. Любое устройство, рассчитанное на стандартные ток и напряжение, будет работать от любой розетки по всей стране. Хотя стандарты разных стран и различаются между собой, в конкретной электрической системе любое устройство будет работать при условии соблюдения стандартов данной системы.

Тут кабель, там кабель. Большинство наших электрических устройств обладает кабелем питания от сети переменного тока.

Технология беспроводной передачи электроэнергии

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.

Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.

Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф, расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.

Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.

В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)

Технология Переносчик электрической энергии Что позволяет передавать электрическую энергию
Индуктивная связь Магнитные поля Витки провода
Резонансная индуктивная связь Магнитные поля Колебательные контуры
Емкостная связь Электрические поля Пары проводящих пластин
Магнитодинамическая связь Магнитные поля Вращение постоянных магнитов
СВЧ излучение Волны СВЧ Фазированные ряды параболических антенн
Оптическое излучение Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение Лазеры, фотоэлементы

Qi зарядка, открытый стандарт для беспроводной зарядки

В то время как некоторые из компаний, обещающих беспроводную передачу электрической энергии, всё еще работают над своими продуктами, уже существует стандарт Qi (произносится как «ци») зарядки, и уже доступны использующие его устройства. Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумуляторов. Данный стандарт поддерживает и индуктивные, и резонансные технологии зарядки.

При индуктивной зарядке электрическая энергия передается между катушками индуктивности в передатчике и приемнике, расположенными на близком расстоянии. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки индуктивности находились в непосредственной близости и были выровнены друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядной панелью. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаружить и зарядить устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены между полками.

Логотип Qi, показанный на беспроводной зарядной панели Qimini

Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC.

В начале Qi зарядка обладала небольшой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны, использующие Qi зарядку, появились в 2011 году. В 2015 году мощность Qi зарядки увеличилась до 15 Вт, что позволяет осуществлять быструю зарядку устройств.

Следующий рисунок от Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.

Обзор технологий беспроводной передачи электрической энергии и их охват стандартом Qi

Совместимость с Qi гарантировано могут обеспечить только те устройства, которые перечислены в регистрационной базе данных Qi. В настоящее время там содержится более 700 продуктов. Важно понимать, что продукты с логотипом Qi были проверены и сертифицированы; и магнитные поля, используемые этими устройствами, не вызовут проблем для таких чувствительных устройств, как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства будут гарантировано работать с зарегистрированными зарядными устройствами.

Физика беспроводной передачи электрической энергии

Беспроводная передача электрической энергии для бытовых устройств является новой технологией, но принципы, лежащие в ее основе, известны давно. Там, где участвуют электричество и магнетизм, по-прежнему руководствуются уравнениями Максвелла, и передатчики посылают энергию на приемники так же, как и в других формах беспроводной связи. Однако, беспроводная передача электроэнергии отличается от них основной целью, которая заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.

Структурная схема передатчика и приемника беспроводной передачи электрической энергии

Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электрической энергии, могут быть достаточно сильными, и поэтому необходимо принимать во внимание безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, а также существует возможность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.

Передатчики и приемники встраиваются в устройства беспроводной передачи электрической энергии так же, как и аккумуляторы, которые будут ими заряжаться. Реальные схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Кроме самой передачи электроэнергии, WPT система должна обеспечить связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник сможет уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику обнаружить и идентифицировать приемник, чтобы подстроить значение мощности, передаваемой на нагрузку, а также контролировать, например, температуру аккумулятора.

В беспроводной передаче электрической энергии имеет значение выбор концепции либо ближнего, либо дальнего поля. Технологии передачи, количество энергии, которое может быть передано, и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего поля или излучение дальнего поля.

Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближней зоне. Энергия в ближней зоне неизлучающая, и колебания магнитного и электрического полей не зависят друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии к приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.

Точки, для которых расстояние от антенны больше примерно двух длин волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами существует переходная область). Энергия в дальней зоне передается в виде обычного электромагнитного излучения. Перенос энергии в дальней зоне также называют лучом энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, которые используют для передачи энергии на большие расстояния мощные лазеры или СВЧ излучение.

Где работает беспроводная передача электрической энергии (WPT)

Все технологии WPT в настоящее время находятся на стадии активных исследований, большая часть сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии и иследованию технологий для магнитной резонансной связи. Кроме того, самыми амбициозными являются идеи оснащения WPT системой помещений, в которых человек будет находиться, а носимые им устройства будут заряжаться автоматически.

В глобальном плане, электрические автобусы становятся нормой; планируется ввести беспроводную зарядку для культовых двухэтажных автобусов в Лондоне так же, как и у автобусных систем в Южной Корее, в штате Юта США и в Германии.

Используя WiTricity, изобретенную учеными MIT, электромобили можно заряжать без проводов, а эти автомобили могут без проводов заряжать ваши мобильные телефоны! (Разумеется, используя Qi зарядку.) Эта беспроводная технология более удобна, а также она может заряжать автомобили быстрее, чем подключаемая зарядка.

Беспроводная зарядка электромобиля, встроенная в парковочное место

Уже была продемонстрирована экспериментальная система для беспроводного питания дронов. И, как уже упоминалось ранее, текущие исследования и разработки сосредоточены на перспективе удовлетворении некоторых энергетических потребностей Земли путем использования беспроводной передачи энергии и солнечных панелей, расположенных в космосе.

WPT работает везде!

Заключение

В то время как мечта Теслы о беспроводной передаче энергии любому потребителю еще далека от реализации, множество устройств и систем используют ту или иную форму беспроводной передачи электроэнергии прямо сейчас. От зубных щеток до мобильных телефонов, от личных автомобилей до общественного транспорта, существует множество применений беспроводной передачи электрической энергии.

Электричество из Wi-Fi. Как будут заряжаться гаджеты через год

Человечество медленно движется в беспроводное будущее. Многие едва ли вспомнят, когда последний раз использовали Ethernet, а смартфоны всё чаще выходят без разъёма для наушников. Однако до сих пор практически вся электроника нуждается в перманентном или регулярном подключении к розетке. В новом материале Лайф рассказывает, когда смартфоны научатся заряжаться по воздуху и чем нас не устраивают современные беспроводные зарядки.

Современные беспроводные зарядки изобрели ещё в позапрошлом веке

Частично проблему проводов люди решили в конце XIX века. Никола Тесла уже тогда использовал электромагнитную индукцию для включения лампочек без розеток. С тех пор было придумано ещё несколько способов “воздушной” электропередачи, но их коммерциализация продвигается медленно. Поэтому актуальные беспроводные зарядки до сих пор используют электромагнитную индукцию. Коммерческий вариант этой технологии называется Qi. Это стандарт электропередачи, который в 2009 году разработал и утвердил консорциум компаний, заинтересованных в развитии обсуждаемой технологии. Сегодня им пользуются многие компании: Apple, Samsung, Huawei и другие.

Принцип работы Qi прост. В смартфоне и зарядном устройстве стоят индукционные катушки. Одна — приёмник, другая — передатчик. При подключении к розетке передатчик образует электромагнитное поле. Когда в него попадает катушка-приёмник, смартфон начинает заряжаться.

Использование Qi чуть удобнее зарядки от кабеля, но этот стандарт далёк от идеала. Во-первых, диапазон работы катушек очень мал — от трёх до пяти сантиметров. В большинстве случаев заряжаемый гаджет приходится класть на передатчик. То есть валяться на диване со смартфоном и при этом заряжать его всё ещё нельзя. Во-вторых, Qi-стандарт — маломощный: через индукционную катушку гаджеты заряжаются, как правило, в 1,5–2 раза медленнее, чем от провода. В-третьих, Qi-зарядки выделяют много избыточного тепла во время работы. А постоянный нагрев и перегрев сокращают срок службы литийионных аккумуляторов.

Электричество передают с помощью звука и света, но неэффективно

В случае с индукционными катушками не всё так хорошо, как хотелось бы. Но радует, что эта технология не является потолком, в который упирается технологический прогресс. В лабораторных условиях люди научились передавать электричество по воздуху и другими способами. Так, в 2011 году студенты Университета Пенсильвании представили ультразвуковой способ. Они создали ультразвуковой передатчик и приёмник, которые преобразуют звуковые волны в электричество. Причём на расстоянии от 7 до 10 метров. Проблема метода — низкая мощность. К тому же в ряде стран действуют ограничения на максимальный уровень звукового давления.

Другим любопытным способом “воздушной” электропередачи является лазер. При определённой настройке волна электромагнитного излучения может стать светом. Передаваемую таким образом энергию можно собрать специальным фотоэлементом. Главным достоинством этого метода является огромная дальность действия. Также при использовании лазера не возникают радиочастотные помехи. В то же время у технологии есть недостатки — например, обязательная прямая видимость передатчика и приёмника. В квартире свету может помешать хоть человек, хоть табуретка, а под открытым небом луч рассеется в тумане. Другим минусом светопередачи являются несовершенные приёмники: современные фотоэлементы улавливают в лучшем случае половину передаваемой энергии. Тем не менее известно, что американские военные дорабатывают эту технологию. Есть планы по созданию беспилотников, которые будут заряжаться в воздухе с помощью лазера.

Лучше всех показал себя Wi-Fi

Все перечисленные модели имеют недостатки. Где-то незначительные, где-то — критические. Именно поэтому самой перспективной на сегодня разработкой является передача электричества по Wi-Fi.

Однажды исследователи Вашингтонского университета обратили внимание, что во время “молчания” Wi-Fi-антенны перманентно излучают пакеты энергии. Тогда учёные сделали специальный приёмник и поняли, что даже обычные роутеры могут дистанционно запитывать маломощные электроприборы. Эту технологию назвали PoWiFi (Power over Wi-Fi).

В 2015 году учёные выступили с докладом. Выяснилось, например, что параллельно с рассылкой энергии Wi-Fi-антенны превосходно справляются и с основной задачей — передачей информации. Исследователи объяснили это тем, что для рассылки электричества роутеры используют только свободные каналы.

Чтобы не быть голословными, специалисты провели демонстрацию, в ходе которой с помощью Wi-Fi включили камеру наблюдения на расстоянии пяти метров от роутера. В другом случае учёные за 2,5 часа зарядили на 41% фитнес-трекер Jawbone Up 24.

Скоро все гаджеты будут заряжаться по Wi-Fi

С тех пор как учёные научились преобразовывать сигнал Wi-Fi в электричество, появилось множество стартапов, пытающихся довести технологию PoWiFi до коммерческого продукта.

Одной из таких компаний является Energous. Она выпускает специальные Wi-Fi-модемы, которые не предназначены для раздачи интернета. Они постоянно излучают мощные “электрические” волны. Напомним, кастомные роутеры учёных могли запитать лишь простые гаджеты вроде цифрового термометра. Тогда как передатчиков Energous хватает для зарядки, например, наушников и смартфонов.

С коммерциализацией этой концепции дела обстоят сложнее. Дело в том, что кроме специального Wi-Fi пользователю нужен ещё, например, смартфон со специальной антенной. И Energous такие компоненты уже выпускает. Но производители электроники почему-то ещё не выстроились в огромную очередь у офиса Energous для их закупки. В январе этого года на выставке Consumer Electronics Show компания Energous представила всего несколько гаджетов с поддержкой зарядки по Wi-Fi: слуховой аппарат Dlight и умные очки Vuzix Blade. Кроме того, вендор показал собственные прототипы наушников и смарт-часов с гибкой антенной. Все они заряжаются по воздуху на расстоянии до одного метра.

Смартфонов с поддержкой “воздушной” зарядки пока нет. Впрочем, гендиректор Energous Стив Риззон заявил, что появление таких аппаратов — вопрос ближайшего будущего. По словам Риззона, они уже ведут переговоры с несколькими вендорами. Также руководитель Energous сказал, что готовят более мощные варианты приёмников и передатчиков, которые смогут заряжать не только смартфоны, но и ноутбуки. Причём на расстоянии уже до пяти метров. Появиться такие ноутбуки должны в 2020 году.

Кстати, ходят слухи, что одним из клиентов Energous является сама Apple. И в это охотно верится, поскольку недавно в патентах Apple всплыло описание iMac, который с помощью Wi-Fi запитывает окружающую периферию — мышки и клавиатуры.

Руководство по беспроводным соединителям

Технология беспроводной передачи электроэнергии (Wireless Power Transfer, WPT) методом электромагнитной индукции (Near-Field Magnetic Coupling, NFMC) привлекает в последнее время пристальное внимание, особенно в таких применениях, как беспроводная зарядка смартфонов. Есть, однако, еще один класс изделий, работающих на том же принципе, которые принято называть «беспроводными соединителями» (Wireless Connectors, WiCo).

WiCo играют важную роль в тех областях применения, где обычные электрические соединители могут работать ненадежно, а в некоторых случаях и вообще неприменимы. К обстоятельствам, затрудняющим использование электрических соединителей, относится, в частности, возможность попадания внутрь жидкостей или грязи, а также эксплуатация изделия в коррозионно-активных средах. Кроме того, электрическое соединение становится сложной задачей, когда ситуация требует свободы перемещения двух и более систем. Такие проблемы могут возникнуть, например, при проектировании широкого круга систем промышленной автоматизации, где требуется передавать электроэнергию или данные через жидкости или стены. Еще одна весьма подходящая область применения WiCo — медицинская аппаратура. От нее требуется высокий уровень надежности даже при воздействии жидкостей и изгибающих усилий. В эту категорию входит хирургический инструмент и другие медицинские устройства. WiCo могут также пригодиться в робототехнике, автомобилях и некоторых бытовых товарах.

Беспроводная передача энергии в применении к соединителям

Глядя на рынок традиционных электрических соединителей, легко заключить, что не бывает универсальных соединителей, годных на все случаи жизни. Существует широкое разнообразие изделий, различающихся по размерам и числу контактов. Логично ожидать, что и WiCo будут подразделяться на различные типы. Поэтому разработчики и клиенты (в данном случае производители комплектного оборудования) должны осознавать, что, как и в случае традиционных соединителей, для большинства WiCo потребуется заказная разработка.

Большинство представленных на рынке изделий, в которых беспроводная передача энергии применяется для зарядки аккумуляторов, выполнены в соответствии с тем или иным признанным стандартом (например, Qi [1] или AirFuel [2]), чтобы соблюсти требования к функциональной совместимости и техническим характеристикам. Но эти стандарты предназначены, главным образом, для применения в мобильных гаджетах и бытовой электронике. В некоторых случаях ту же аппаратную часть можно было бы приспособить для других целей, но при этом придется столкнуться с ограничениями — например, наводки, скорость передачи данных, спецификация и т. д., поскольку конструкция системы с WiCo зависит от ряда факторов:

  • Радиус действия, т. е. максимально допустимое расстояние (воздушный промежуток) между передатчиком и приемником по всем трем осям (X, Y, Z).
  • Потребная выходная мощность приемника (стабилизированное выходное напряжение и максимальный ток нагрузки, которые должен обеспечивать соединитель).
  • Тепловые режимы. Этот фактор тесно связан с полным КПД системы (отношением мощности на выходе к мощности на входе). В некоторых применениях не допускается повышение температуры сверх некоторого значения.
  • Габариты. Геометрические размеры передатчика и приемника являются зачастую одним из ключевых ограничений.
  • Стойкость к воздействию внешних факторов. К примеру, WiCo не страшен контакт с жидкостями.
  • Себестоимость. В зависимости от применения она может играть значительную роль.

Отметим, что для WiCo может не требоваться функциональная совместимость, поскольку системы, в которых они применяются, обычно «закрытые», т. е. всегда комплектуются известными (подобранными друг к другу) передатчиком и приемником. Это открывает разработчикам возможности для индивидуальной модификации и оптимизации себестоимости.

Несмотря на вышесказанное, можно предположить, что некоторые классы WiCo будут стандартизированы, как это произошло с USB в случае электрических соединителей. При этом, чтобы получить статус стандарта, соединитель должен решать некоторую задачу, которая часто встречается в одной или нескольких отраслях.

NFMC и связь

В системах NFMC (Near Field Magnetic Coupling) применяются рамочные антенны самых разных размеров — обычно диаметром более 25 мм. Предпочтительный диапазон частот — от 10 кГц примерно до 13,56 МГц. Высокоуровневое обсуждение системотехнических аспектов и стандартов, определяющих внедрение этой технологии в бытовой электронике, можно найти в [1, 2, 3, 4].

Приблизительный максимальный теоретический радиус действия устройства NFMC — это эффективная граница ближнего поля на рабочей частоте. Она определяется как l/2p, где l — эффективная длина волны. Например, на частоте 10 кГц максимальный радиус действия приблизительно равняется 4,7 км, а на частоте 13,56 МГц — 3,5 м. Реальный радиус действия гораздо меньше и определяется такими факторами, как среда, размеры антенн, требуемый КПД, уровни мощности, нормативные соображения и т. д.

В обычном и резонансном методах электромагнитной индукции используется один и тот же физический принцип: переменный ток в передающей антенне создает переменное магнитное поле, под действием которого наводится напряжение в приемной антенне. Различать эти два метода принято по использованию реактивных компонентов для снижения реактивного сопротивления антенной цепи: в резонансном методе электромагнитной индукции они используются, а в обычном нет. В реальности все известные авторам системы содержат емкостные компоненты, изменяющие эффективное полное сопротивление антенной цепи — как на стороне приемника, так и на стороне передатчика.

Обнаружение

Для беспроводной передачи электроэнергии по любому методу потребуется обеспечить обнаружение и управление в той или иной форме. В самом элементарном варианте передатчик обнаруживает присутствие приемника, а тот начинает потреблять электричество, как только выпрямленное напряжение превышает некоторое пороговое значение. Механизм обнаружения может быть предельно простым — например, одиночный бит, сигнализирующий о присутствии или отсутствии приемника и устанавливаемый по изменению полного сопротивления, которое регистрируется как изменение напряжения. Может он быть и относительно сложным, с требованием уникальной идентификации и последующего управления энергопотреблением. Потоки идентификационных битов могут кодироваться путем модуляции нагрузкой сигнала несущей (внутриполосная связь) или реализовываться в отдельном канале связи.

В случае внутриполосной связи применяются такие виды модуляции, как амплитудная (ASK), частотная (FSK) и фазовая (PSK). Амплитудная манипуляция относительно проста в реализации, но отличается пониженной помехоустойчивостью, что может быть проблемой при малых значениях коэффициента связи. Большей помехоустойчивости можно добиться, используя частотную или фазовую манипуляцию, но эти схемы сложнее.

Для связи по отдельному каналу можно применять несколько стандартных беспроводных технологий, например Transfer Jet, BLE и NFMI. Отдельный канал, скорее всего, обеспечит бо́льшую помехоустойчивость и скорость передачи данных, но его реализация потребует дополнительных затрат на разработку, усложнит систему и увеличит ее габариты.

При решении задач, связанных с передачей данных через любую среду, всегда приходится сталкиваться с теми или иными трудностями. Соображения, с которыми необходимо считаться при передаче данных через электрические соединители и WiCo, перечислены в таблице 1.

Беспроводные

Электрические

Электропитание — сбор энергии из окружающей среды или питание от местного источника.

Тип канала данных — аналоговый или цифровой.

  • «точка-точка»;
  • «точка — много точек».
  • однонаправленная передача;
  • двунаправленная передача (полудуплексная или дуплексная).

Скорость передачи данных в канале физического уровня.

SDIO, UART, SPI и т. д.

Требования к экранированию.

Омические потери сигнала.

Нарушение целостности сигнала, обусловленное следующими факторами:

Требования к монтажу, диктуемые характером изделия (близость к металлическим объектам).

Данные о долговременной надежности.

  • ограничение на количество циклов сочленения/расчленения;
  • высыхание резины.

Ударные и вибрационные нагрузки.

Требования к монтажу, диктуемые характером изделия (вращающиеся поверхности).

Стойкость к воздействию внешних факторов (попадание внутрь воды, пыли, газа, масла и т. п.).

Добавление и удаление каналов данных.

Длительное (от 8 недель) время поставки, только заказные решения.

Длительное (от 6 недель) время поставки заказной системы соединителей.

Конструктор должен учитывать в своей работе те из них, которые применимы к проектируемому изделию. Как и любые конструктивные решения, беспроводные и традиционные механические соединители имеют сравнительные преимущества и недостатки (табл. 2).

Беспроводные

Механические/физические

Возможность создавать сложные промышленные конструкции (без отверстий
в корпусе):

  • недорогое решение для обеспечения степени защиты IP68.
  • отсутствие необходимости совмещать части соединителя;
  • невосприимчивость к вибрации;
  • защита от попадания внутрь посторонних объектов.

Целостность сигнала, передаваемого через соединитель.

Высокая плотность данных:

  • возможность объединения множества низкоскоростных потоков данных
    на одной высокоскоростной линии передачи.

Защищенность (шифрование, зона прямой видимости, близость, расстройка антенны).

  • производство с высоким выходом годных изделий;
  • общепринятое в отрасли решение;
  • высокооптимизированные решения под конкретное применение.

Независимость от типа сигнала (аналоговый, цифровой, конкретный протокол связи, питание и т. д.).

  • первичная разработка (механической, электрической и программной частей), испытания и сертификация;
  • «интеллектуальные» составляющие, повышающие себестоимость.

Стандартизация и повторное использование:

  • решение не унифицируется для всех типов и скоростей передачи данных;
  • для передачи данных необходим транспортный протокол, например I 2 C, UART, SDIO и т. д.

Эмиссия излучаемых помех и восприимчивость к таким помехам.

Существенное повышение себестоимости на скоростях выше 1 Гбит/с.

Сложность конструирования изделий промышленного назначения.

Неприспособленность для некоторых специализированных применений (высокий уровень вибрации, вращение и т. д.).

Возможность попадания внутрь посторонних объектов.

Ухудшение характеристик, обусловленное циклическим режимом работы, воздействием окружающей среды (коррозия) и другими факторами.

Нарушение целостности сигнала при передаче через соединитель:

  • омические потери сигнала;
  • паразитная связь между контактами;
  • паразитная связь между контактами и проводящим слоем платы;
  • переходная помеха на ближнем конце линии связи (NEXT);
  • переходная помеха на дальнем конце линии связи (FEXT);
  • суммарная переходная помеха на ближнем конце линии связи (PSNEXT);
  • сторонняя переходная помеха (AXT).

Незащищенность (возможность атаки «человек посередине»).

Пример решения

Предлагаемый миниатюрный WiCo для передачи электроэнергии можно использовать как поверхностно-монтируемый компонент с возможностью автоматической установки в печатных узлах, где неприменимы традиционные соединители. При этом следует учитывать, что все многообразие возможных применений потребует индивидуальной адаптации. Мотивом к разработке данного соединителя послужила необходимость заменить электрический соединитель со штыревыми контактами для работы в жестких условиях эксплуатации, связанных с воздействием жидкостей и механическими перемещениями.

Рис. 1. Высокоуровневая блок-схема системы с WiCo

На рис. 1 приведена обобщенная блок-схема системы с WiCo, а на рис. 2 — физическая реализация таких соединителей и их размещение на основной плате.

Рис. 2. Физическая реализация модулей WiCo (вверху) и пример их размещения в изделии (внизу)

Для размещения соединителя было доступно пространство размерами приблизительно 11×5×5 мм. Требовалось передавать 50–200 мВт мощности на расстояние от 0,5 до 2 мм. Ввиду миниатюрных размеров необходимо было реализовать работу системы в высокочастотном режиме, чтобы получить достаточно высокий коэффициент усиления по напряжению для питания микроконтроллера на приемной стороне. Помимо нормативных соображений, при выборе частоты для передачи электроэнергии через небольшой объем пространства нужно также учитывать потери в материалах, так как на высоких частотах сильнее вихревые токи. Исходя из широких пределов изменения полного сопротивления, обусловленных требованиями к нагрузке, и заданного радиуса действия было сочтено оправданным применить нестандартный выпрямитель с параллельно-последовательной нерезонансной емкостной настройкой.

Для монтажа системы использовались стандартные и гибкие печатные платы. На них располагались инверторный каскад, цепь согласования полного сопротивления, цепь обнаружения присутствия приемника и антенна. «Мозг» системы — микроконтроллер — размещался на основной плате, к которой был припаян этот соединитель. В рассматриваемом изделии микроконтроллер отвечал также за выполнение других функций системы.

В миниатюрных NFMC-системах магнитные явления могут быть одним из основных факторов, определяющих рабочую частоту и топологию. Например, высокочастотный режим работы пришлось избрать ввиду миниатюрных размеров соединителя. Магнитные явления становятся сложной проблемой из-за усиления эффектов близости на высокой рабочей частоте и малых размеров антенны. Для поддержания высокого межантенного КПД во всем рабочем диапазоне расстояний без защитного отключения при перегреве необходимо использовать грамотные методы и качественные технологии проектирования.

Выводы

Беспроводные соединители — великолепный выбор для передачи электроэнергии и/или данных в жестких условиях эксплуатации с возможностью свободного перемещения. По мере развития технологии беспроводной передачи электроэнергии и снижения стоимости соответствующих технических решений следует ожидать их более широкого применения.

Беспроводная передача энергии реальна?

В 2018 году беспроводная передача энергии попала в заголовки, когда она использовалась компаниями мобильной связи для производства беспроводных зарядных устройств. Теперь, два года спустя, каковы новые разработки в области беспроводной связи и, самое главное, приближаемся ли мы к ее использованию в более широких масштабах?

Многие люди считают, что беспроводная передача энергии (WPT) является недавним прорывом, но ее открытие насчитывает более ста лет.

Французский физик Ампер и британский ученый Фарадей с их соответствующими законами внесли свой вклад в XVIII и XIX веках в развитие современной электротехники, которая легла в основу WPT.

В 1893 году сербско-американский инженер и изобретатель Никола Тесла прочитал лекцию, где представил свои эксперименты с магнитным резонансом, что сделало его одним из предков WPT.

В то время как более современные эксперименты продолжаются с 1980–х годов, специалисты отметили возрождение интереса к WPT за последние пять-десять лет, особенно в секторе мобильных телефонов, где беспроводные зарядные устройства для телефонов все чаще становятся нормой.

В 2018 году начали появляться беспроводные зарядные устройства, совместимые с последними моделями мобильных телефонов от Apple, Samsung и Huawei, среди прочего, попав в заголовки и открывая новые рыночные возможности.

Примерно в то же время компании по разработке технологий, включая Ossia и Energous, утверждали, что работают над более крупными проектами, где электричество может передаваться на большие расстояния.

Что такое WPT и как это работает?

Дэвид Шац, вице-президент по развитию бизнеса в беспроводной зарядной компании WiTricity, определяет WPT как «использование магнитного поля для передачи энергии между источником и устройством, без использования провода для их соединения».

WPT — это не единственный метод, и существует несколько методов для получения беспроводной передачи энергии, включая индукцию, резонансную связь и передачу микроволновой энергии.

Индукция получается путем передачи энергии между двумя катушками на очень близком расстоянии, в то время как резонансная индукционная связь основана на резонансном туннелировании.

В пределах пятиметрового диапазона электромагнитные волны, имеющие высокий угловой волновод, называются мимолетными волнами, поскольку они не несут энергии. При соединении волновода с передатчиком образуется туннель: эта энергия может быть преобразована в электричество.

Для более длинных расстояний, WPT получается через радио и передачу микроволновой энергии, которая функционирует через ректенну, выпрямительную антенну, которая преобразует микроволновую энергию в электричество.

Хотя первые два метода считаются безопасными для нашего здоровья, радио и микроволны могут иметь негативные последствия.

Профессора Фрэнк Барнс из Университета Колорадо-Боулдер и Бен Гринбаум опубликовали книгу об опасности электромагнитных полей для здоровья, обнаружив, что семь мегагерц является проблемной частотой для человека, усиливая размножение раковых клеток.

QI, KI и средние стандарты

Основанный в 2008 году, Консорциум беспроводной энергетики (WPC) — это группа разработчиков стандартов, состоящая из более чем 500 компаний, стремящихся к совместимости беспроводных зарядных устройств и источников питания.

В 2010 году Консорциум запустил первый в мире беспроводной стандарт — стандарт QI. Стандарт QI имеет диапазон 5-15 Вт, работающий на частоте от 105 кГц до 205 кГц, полезный для мобильных телефонов.

WPC имеет два других стандарта, которые в настоящее время разрабатываются: стандарт KI, который обеспечивает мощность до 2200 Вт, и стандарт Medium с диапазоном 30–65 Вт.

Стандарт KI будет использоваться для питания кухонных приборов, включая рисоварки и тостеры, в то время как средний стандарт будет заряжать электронные велосипеды, дроны и пылесосы.

WPT и более крупные приложения: от роботов до электросетей

Бытовая техника — это не единственный сектор, который будет все больше полагаться на беспроводную передачу энергии, поскольку все больше компаний уже используют беспроводные зарядные устройства для роботизированных приложений, таких как дроны.

Чтобы производить решения для зарядки для авиационного, промышленного и мобильного секторов, беспроводной производитель WiBotic из Сиэтла запатентовал механизм беспроводной энергии, который сочетает в себе индукцию и магнитный резонанс.

Адаптивная система согласования WiBotic состоит из блока передатчика, который использует источник питания для генерирования сигнала беспроводной мощности, который перемещается к передающей антенной катушке.

Антенна генерирует как электрическое, так и магнитное поле, которое, будучи распознано блоком передатчика, усиливается, чтобы доставить нужное количество энергии, которая позже собирается антенной на роботе и передается на зарядное устройство.

Другой метод WPT — это шаровой шарнир, беспроводная система зарядки, которую можно поворачивать в любом направлении. Профессор электротехники Рон Хуэй (Университет Гонконга и Имперский колледж Лондона) в настоящее время работает над проектом, специально сделанным для производственных объектов.

Профессор Хуэй пояснил, что конструкция состоит из шаровой конструкции с прикрепленным к ней механическим стержнем и гнездом, в котором размещена конструкция. Беспроводная энергия передается через магнитный резонанс, от передатчика к приемнику, достигая до 81% эффективности использования энергии.

«Представьте себе роботов на производственном объекте: их руки должны все время двигаться, и если они наделены кабелем, непрерывно скручивая его, кабель разорвется», — сказал Хуэй.

«С помощью шарового шарнира мы можем передавать энергию через шарниры роботизированной руки, не используя никакого кабеля».

Хуэй также работает над первым в мире независимым сборщиком и источником питания для интеллектуальных сетей. Проект включает в себя сбор энергии вокруг высоковольтных кабелей и передачу ее по беспроводной сети в онлайн-систему мониторинга в передающей башне, уменьшая зависимость от батарей.

Для передачи энергии между передающими вышками профессор Хуэй и его коллеги запатентовали беспроводную систему питания домино.

«Это похоже на схему домино: у нас есть все эти резонаторы, которые позволят нам передавать энергию один за другим – и это значительно повысит энергоэффективность. С помощью этой технологии мы можем повысить энергоэффективность более чем на 60%» , — сказал Хуэй.

Будущее электромобилей

Дебют первого в мире беспроводного зарядного устройства для электромобилей, произведенного BMW в 2018 году, привел к появлению ряда компаний, разрабатывающих беспроводные зарядные устройства для электромобилей и мобильных роботов.

WiTricity запатентовала форму беспроводной передачи энергии под названием высокорезонансная передача энергии, которая способна работать на несколько больших расстояниях.

Высокорезонансная передача энергии состоит из двух устройств с совпадающими резонансными частотами, соединяющимися в одно магнитное поле, передавая энергию от одного устройства к другому.

Тринадцать лет спустя системы WiTricity имеют скорость зарядки от 3,6 до 11 кВт и могут питать различные типы автомобилей, включая спортивные автомобили и внедорожники.

Шац говорит, что «автопроизводители пытаются сделать электромобиль, чтобы он превосходил бензиновый автомобиль всеми возможными способами. И беспроводная зарядка рассматривается как очень, очень важный способ сделать электрические автомобили еще лучше, чем бензиновые автомобили. Идея заключается в том, что вы просто паркуете свой автомобиль в своем гараже или на своей парковке, и вам никогда не нужно ничего делать, автомобиль всегда должен иметь относительно полную батарею. Вы никогда не должны посещать заправочную станцию. Вы можете просто сесть за руль и ехать в машине, которая должна заряжаться сама».

«Это пользовательский опыт, к которому стремятся автопроизводители. И беспроводная зарядка — это лучший способ обеспечить такой пользовательский опыт», — говорит Шац.

Единственные проблемы, говорит Шац, прямо сейчас — это стандартизация систем зарядки и стоимость батарей.

«Процесс стандартизации должен быть решен в течение 2020 года, поскольку организации, определяющие стандартизацию, готовы опубликовать эти стандарты, устранив одно из препятствий», — добавил он.

Несмотря на предстоящие проблемы, беспроводная энергия имеет большое будущее и, вероятно, станет нормой.

Как говорит Шац: «Когда системы становятся беспроводными, они не возвращаются к проводному подключению – никто не собирается предлагать вернуться к обычному плагину».

Монтаж пластиковых панелей к потолку своими руками

Профиль ПВХ практичен, удобен в монтаже и стоит дешевле подавляющего большинства альтернативных отделочных материалов. Ассортимент его цветовой палитры и фактуры со временем только увеличивается и на данный момент доступны изделия, способные гармонично вписаться практически в любой современный интерьер.

  1. Выбор панелей на потолок
  2. Инструменты
  3. Как сделать обрешетку из брусков
  4. Сооружение обрешетки из бруса включает в себя следующие этапы:
  5. Как сделать обрешетку из оцинкованного профиля
  6. Монтаж пластикового профиля
  7. Проводка и осветительные приборы

Выбор панелей на потолок

Для отделки потолка в большинстве случаев используют светлый однотонный пластик, например, белый или близкий по цвету. Что касается фактуры, доступны матовые или глянцевые варианты, а также панели с вставками, имитирующими металлический блеск.

Обшивать потолок наиболее целесообразно глянцевым пластиком. Блестящая поверхность визуально делает помещение несколько выше, просторнее и благодаря отражающим свойствам – светлее, что позволяет устанавливать менее мощные светильники или использовать меньшее их количество.

Помимо цвета и фактуры ПВХ профиль условно разделяют на потолочный и стеновой. Потолочный отличается меньшей толщиной поверхностных слоев и панели в целом. Он не такой прочный, но и весит меньше, что положительно сказывается на несущей конструкции. Стеновой пластик вполне пригоден для обшивки потолка, однако это нецелесообразно, так как стоит он дороже, а от его механической прочности на данном участке толку мало.

Достаточно распространены панели, внешне напоминающие вагонку. Их ширина, как правило, невелика (100 -120 мм), а срез профиля соответствует деревянным образцам. Из-за этого поверхность, обшитую таким материалом, еще называют реечной (по причине внешнего сходства).

Снизу — обычная панель, сверху — ПВХ вагонка

На потолке чаще используют бесшовный профиль. Это в большинстве своем широкие панели (200-250 мм), монтажный стык между которыми практически не заметен, что в результате позволяет добиться сплошной гладкой плоскости.

ПВХ панели крепят либо на предварительно собранный каркас (обрешетку), либо непосредственно на черновой потолок.

Обрешетка из металлопрофиля

Первый вариант более предпочтителен – он проще, и в результате отделка получается качественнее. К тому же при монтаже без каркаса достаточно затруднительно использовать врезные светильники и прокладывать коммуникации.

В целом, установка обрешетки и пластиковых панелей достаточно проста – не требует высокой квалификации строителя, серьезных профессиональных навыков или специального оборудования.

Инструменты

Для сборки каркаса и последующего монтажа ПВХ профиля понадобятся следующие инструменты:

  • Рулетка, угольник, простой карандаш или маркер, для разметки на потолке, рейке и пластиковых панелях.
  • Инструмент для торцовой порезки древесины. Идеальный вариант – электропила, также подойдет электролобзик или острая ножовка.
  • Дрель, шуруповерт, перфоратор. В большинстве случаев достаточно одной ударной электродрели, но могут возникнуть трудности при сверлении бетонного потолка. В таких ситуациях лучше использовать перфоратор.
  • Ножницы по металлу или машинка шлифовальная угловая (болгарка, желательно маленькая). Этот инструмент необходим для порезки оцинкованного профиля, к тому же болгаркой удобно резать пластиковые панели.
  • Уровень. Для разметки потолка по периметру лучше использовать водный (шланговый) уровень, если таковой отсутствует, подойдет строительный пузырьковый уровень (желательно длиной не менее 1 метра).
  • Правило. Понадобится в процессе монтажа поперечных элементов каркаса для контроля их расположения в одной плоскости. Также может использоваться в ходе монтажа профиля по периметру совместно со строительным уровнем.

Еще понадобится молоток, плоскогубцы, пистолет для силикона, нож, шпатель, стремянка (табурет или стол).

Для сооружения обрешетки чаще всего применяют металлический профиль или деревянные бруски. Далее подробнее остановимся на каждом варианте.

Как сделать обрешетку из брусков

Монтаж деревянной обрешетки желательно выполнять на некотором расстоянии (3-5 см) от капитального потолка.

Обрешетка из брусков на подвесах

Это позволит сделать обшивку максимально ровной, а также избежать трудностей с прокладкой коммуникаций и установкой осветительных приборов. Изготовление такого каркаса подразумевает использование кронштейнов, которые можно сделать самостоятельно или приобрести оцинкованные П-образные подвесы (применяются для сооружения каркаса из профиля).

Наиболее подходящее сечение рейки для деревянной обрешетки на потолке – 20х40 мм, реже используется 15х40 мм. Применять материал толще 20 мм нецелесообразно, так как масса панелей, даже стеновых, сравнительно невелика.

Немаловажным фактором является влажность деревянных брусков. Точно определить ее без использования спецоборудования не получится, в таких случаях ориентируются по массе изделия, кроме того, чрезмерная для каркаса влажность будет заметна на ощупь.

Помимо влажности следует обратить внимание на цвет древесины. На рейке не должно быть синеватых или бурых разводов – это свидетельствует о наличии грибковых образований и начальной стадии гниения, что может значительно сократить срок службы конструкции.

Брус к тому же должен быть сравнительно ровным в одной плоскости. Речь не идет о калиброванных сухих изделиях, так как подобная продукция по цене превосходит оцинкованный профиль. Для обрешетки подойдет рейка с перепадом по толщине 1-2 мм (как правило, такой материал визуально выглядит ровным).

Сооружение обрешетки из бруса включает в себя следующие этапы:

  1. Разметка. При помощи водного уровня на стенах по периметру помещения отмечается местоположение каркаса по высоте. Для этой процедуры можно также использовать обычный пузырьковый уровень, но точность будет меньше.
  2. Монтаж бруса (направляющих) по периметру потолка. Согласно разметке, выполненной на первом этапе, крепится рейка вдоль всех стен (широкой стороной параллельно потолку). В ходе монтажа желательно перепроверить точность уровня, а также при помощи правила контролировать ровность крепления направляющих. Фиксация бруса выполняется либо на подвесы, либо непосредственно к черновому потолку. Способ крепления зависит от материала, из которого сделано основание: если это бетонная плита, придется ее сверлить, забивать дюбель и уже потом крепить подвес саморезами; в деревянное перекрытие саморезы можно закрутить без предварительной подготовки. Расстояние между креплением зависит от толщины используемого бруса, но не должно превышать 60 см.
  3. Монтаж поперечных элементов обрешетки. Торцы поперечных брусков выставляются заподлицо с лицевой стороной направляющих. Фиксация выполняется способом, описанным во втором пункте. В процессе монтажа необходимо следить чтобы лицевая сторона всей рейки располагалась в одной плоскости, для чего удобно использовать правило. Его прикладывают к предварительно зафиксированному брусу и смотрят есть ли зазоры. При наличии неровностей, положение бруса регулируется подвесами (если таковые использовались) или прокладками (деревянные клинья, кусочки ДВП, МДФ или плотного пластика). Расстояние между центрами поперечных элементов должно быть не более 50 см.

Схема потолка — вид снизу

Следует помнить, что пластиковые панели располагаются перпендикулярно поперечной рейке. Это необходимо учитывать при начальном проектировании обрешетки и расчете материала, в частности расхода ПВХ профиля. Обшивать потолок балкона (4х1,2 м) более рационально в поперек, так как длина пластиковых панелей – 2,4 м, 3 м или 6 м.

Как сделать обрешетку из оцинкованного профиля

Данный вариант несколько проще, так как приходится работать с ровным профилем, из которого можно быстро собрать качественную конструкцию. Все что понадобится – это профиль CD-60, UD-27, оцинкованные П-образные кронштейны и крепеж.

Последовательность действий:

  • После разметки уровня потолка, с двух сторон к стенам крепим направляющий UD-профиль (крепление выполняется при помощи саморезов на дюбель или непосредственно в стену, если позволяет ее поверхность);
  • В пазы направляющего профиля вставляем поперечный CD-профиль и крепим его к потолку на подвесы саморезами. Крепим UD профиль к CD профилю саморезом

Крепление и корректировка плоскости (выравнивание) выполняются также, как и при сборке реечной обрешетки.

Проверка плоскости потолка правилом

Расстояние между центрами поперечных элементов не должно превышать 50 см, между кронштейнами – 70.

Крепят пластиковые панели к оцинкованной конструкции при помощи пресс-шайбы со сверлом или на клей (жидкие гвозди).

Монтаж пластикового профиля

После завершения сборки каркаса можно приступать к монтированию пластика. Процесс начинается с установки стартовых профилей. Их крепят П-образно: со стороны стены, с которой планируется начинать обшивку и с двух боковых сторон.

В случае с потолком используют либо стартовый молдинг, либо потолочный.

Монтаж выполняется непосредственно к направляющим. Для этого сначала замеряется расстояние между стенами, затем, в соответствии со снятыми размерами режут молдинг. Если это потолочный профиль, его необходимо зарезать под углом 45°; обычный стартовый – можно резать перпендикулярно, после чего стыковать внахлест.

Фиксация к обрешетке выполняется саморезами или на клей. В первом случае имеет место некоторая деформация профиля из-за давления самореза, однако в большинстве случаев все выравнивается при установке панелей. Крепление на клей – вариант более трудоемкий, он требует больше времени и определенного навыка, но результат выглядит лучше.

После установки молдингов можно приступать к монтажу панелей. Сначала замеряют расстояние между внутренними краями стартовых профилей, находящихся возле противоположных стен. К этому расстоянию прибавляют 2-3 см (зависит от глубины стартовой). В результате отрезанная панель должна быть немного (3-5 мм) короче, чем расстояние между стенами. Если она будет хоть немного упираться, на потолке образуются волны (либо сразу, либо со временем).

Отрезаем ПВХ панель на 5 мм меньше, чем требуется, чтобы облегчить монтаж

Первая панель устанавливается шипом вперед и фиксируется со стороны паза к обрешетке саморезами (пресс-шайба длиной 15мм).

К деревянным брускам можно крепить степлером, оцинкованными или нержавеющими скобами, но этот вариант менее надежен.

Последующие панели вставляются в паз предыдущей, аккуратно пристукиваются до плотной посадки и фиксируются также, как и первая.

Установка финишной панели наиболее сложна и чаще всего выполняется двумя способами:

  1. Если стартовый профиль уже закреплен, заключительную полоску пластика необходимо подрезать таким образом, чтобы она была уже примерно на 1 см, чем расстояние от края предыдущей панели до стены. Затем ее вправляют в стартовые профиля (процесс достаточно нервный, понадобится тонкий предмет типа шпателя или угольника). После этого пластик выдвигают из стартовой тем же тонким предметом до тех пор, пока шип не упрется в паз.
  2. Если стартовый профиль не закреплен, полоску пластика обрезают по ширине почти четко в размер (1-2 мм припуск), после чего на нее надевают этот самый стартовый профиль, а затем все в сборе крепят к обрешетке на клей.

Недостаток первого способа в том, что со временем последняя планка задвигается обратно в стартовую и образуется щель (которую в принципе не сложно устранить шпателем или угольником). Во втором случае, чтобы разобрать пластиковую обшивку приклеенный элемент придется ломать.

После окончания монтажных работ, следует проверить качество примыканий стартовых молдингов и в случае обнаружения щелей замазать их акрилом. В процессе заделки следует аккуратно накладывать замазку (для этого используется силиконовый пистолет), а ее излишки вытирать влажной губкой. После высыхания процедуру возможно придется повторить, так как усадка акрила приводит к проявлению дефектов.

Проводка и осветительные приборы

При сборке подвесной обрешетки на П-образных кронштейнах с прокладкой коммуникаций не возникает каких-либо сложностей.

К тому же, если расстояние от основного потолка не меньше 8 см, можно использовать высокие светильники со сменными лампами. Если же рейка прикручена непосредственно к потолку, его придется штробить (как минимум в местах пересечения бруса и проводки), а выбор осветительных приборов ограничивается тонкими светодиодными моделями.

Устанавливать точечные светильники необходимо в процессе монтирования панелей, при этом желательно сразу проверять их функционирование, чтобы не пришлось решать возникшие проблемы после окончания обшивки.

Собственно врезка выполняется электродрелью при помощи специальных коронок.

Также можно воспользоваться лобзиком с мелкой пилкой, однако здесь потребуется некоторое умение владеть этим инструментом. Сделать отверстие возможно и другими способами, например, узким ножом, главное – правильно оценить свои навыки, чтобы не повредить пластик и не травмироваться.

При использовании люстр и прочих подвесных светильников следует позаботиться о месте их крепления. Сделать это нужно еще на стадии сооружения обрешетки. Так для массивных люстр монтируют дополнительную закладку из рейки или оцинкованного профиля. Главное, чтобы данный элемент был жестко зафиксирован на основном потолке.

Видеоинструкция по установке потолка из ПВХ панелей:

Как крепить панели ПВХ к потолку

Есть множество материалов, которые можно использовать для отделки потолков, но наиболее практичным и удобным в работе вариантом являются панели из ПВХ. И еще более привлекательными они становятся по той причине, что провести их монтаж самостоятельно довольно просто, поэтому нет необходимости в привлечении бригады строителей. О том, как крепить панели ПВХ к потолку и как их правильно выбрать, расскажет наша статья.

ПВХ-панели – что это?

ПВХ панели – отделочный материал, изготавливаемый из поливинилхлорида – пластмассы, которая плохо горит и обладает химической стойкостью. Теперь рассмотрим конструкцию ПВХ панелей.

ПВХ панели для потолка

Они состоят из двух тонких листов пластика, соединенных между собой множеством ребер жесткости. По длине ПВХ панелей с одной стороны находится большая монтажная, а с другой – малая крепежная полки. Первая используется для крепления поливинилхлоридного листа к потолочному каркасу, а вторая – для соединения установленных листов друг с другом.

Так почему же панели из ПВХ стали столь популярны? Ниже приведен список преимуществ этого отделочного материала.

  1. ПВХ-панели устойчивы к воздействию влаги. От сырости с потолка начала отслаиваться штукатурка? С пластиковыми плитами такого не произойдет! Вы живете в многоэтажном доме, где нередки проблемы с водопроводом, и вы опасаетесь, что соседи сверху могут вас залить? Для ПВХ-панелей это не проблема – после локального потопа их можно взять, просушить и просто установить обратно.
  2. Долговечность. Сами по себе качественные панели ПВХ способны прослужить не один десяток лет. А заменить поврежденные или отслужившие свое панели не составит большого труда.
  3. За потолком из поливинилхлоридных панелей легко ухаживать – достаточно лишь регулярно протирать его от пыли с помощью губки, смоченной в мыльном растворе. Но при этом следует помнить, что для очистки такого материала нельзя использовать средства, содержащие абразивные частицы или сильные щелочи и кислоты.

Панели из поливинилхлорида

Зеркальные панели ПВХ

Выбор панелей ПВХ

Итак, вы знаете, что это за материал, теперь необходимо выбрать панели ПВХ и закупить их. Для начала следует определиться с размерами. На данный момент в строительных магазинах можно увидеть пластиковые панели либо в виде вагонки, либо в виде прямоугольных плит с размерами, приведенными в таблице ниже.

Таблица. Стандартные размеры ПВХ-панелей.

Тип Длина, мм Ширина, мм
Вагонка 3000 100
Усиленная вагонка 3000 125
Прямоугольные панели От 2600 до 3000 От 150 до 500
Листы От 1500 до 4000 От 800 до 2000

Как определить, что перед вами лежит хороший материал? Как по незнанию не приобрести некачественные ПВХ панели, которые потрескаются при установке или потеряют свой цвет через пару лет службы?

Цены на потолочные панели

Возможные формы и фактуры ПВХ-панелей

При походе в строительный магазин следует обратить внимание на следующие пункты. Для небольших по площади комнат самыми подходящими будут ПВХ панели типа «вагонка». Также им стоит отдать предпочтение в том случае, если вы хотите иметь потолок из пластика, стилизованного под деревянные доски. А для более крупных по площади помещений лучше взять панели или листы поливинилхлорида. Что касается толщины, то она у всех видов ПВХ листов преимущественно одинакова и составляет 10 миллиметров.

  1. Ребра жесткости панелей ПВХ не должны просвечивать с лицевой стороны. Также посчитайте их количество – чем ребер больше, тем конструкция панели прочнее и долговечнее.
  2. Поверхность материала должна быть идеально ровной, без каких-либо дефектов, сколов и повреждений.
  3. Монтажная и крепежная полки должны быть достаточно гибкими и не ломаться при попытке их отогнуть.
  4. Попробуйте слегка надавить на панель ПВХ. Если на поверхности возникнет трещина или вмятина, то перед вами некачественный экземпляр, от приобретения которого желательно отказаться.
  5. Возьмите несколько панелей и попробуйте их сложить вместе. Хороший материал стыкуется ровно и без зазоров.
  6. Обратите внимание на внешний вид покупаемых ПВХ панелей – экземпляры из всех упаковок должны быть однотонными и обладать одной и той же фактурой. В некоторых ситуациях поливинилхлоридные листы из разных партий имеют незначительные различия по цвету.

На что обращать внимание при покупке ПВХ панелей: 1. Число ребер жесткости: чем их меньше, тем изделие неустойчивее.
2. Ребра плитки из пластика должны быть целыми и прямыми.
3. Поверхность панели ПВХ должна быть равномерно окрашена, гладкой и без неровностей.
4. Две панели должны качественно соединяться в месте стыковочного паза.

Помимо самих листов ПВХ, вам будет нужно приобрести установочный профиль. Он состоит из двух «полок», одна из которых крепится к каркасу, а другая соединяется с пластиковыми панелями. К установочному профилю крепятся и стартовый, и финишных листы ПВХ. При его выборе следует обратить внимание на толщину пластика и на то, не имеет ли профиль каких-либо изгибов или дефектов.

Потолки, отделанные поливинилхлоридными панелями

Не забудьте также купить потолочный плинтус – он не только служит декоративным элементом будущего потолка, но и закрывает собой зазор между стеной и потолком из панелей ПВХ. Обычно такие плинтуса называются галтелями, изготавливаются из пластика и крепятся на клей.

Что касается внешнего вида приобретаемых панелей ПВХ, то его вы должны определить самостоятельно, исходя из дизайнерского проекта отделки комнаты и собственного вкуса. Вашему вниманию будет представлено множество вариантов панелей самых разных расцветок и фактуры. Здесь можно посоветовать использовать таблицу сочетаемости цветов, чтобы внешний вид потолка хорошо сочетался с цветом стен и мебели.

Таблица сочетаемости цветов в интерьере

Необходимые инструменты

Теперь необходимо составить список инструментов, которые понадобятся для крепления панелей ПВХ к потолку. Вам не потребуется что-то сложное или очень дорогое, все перечисленное ниже можно найти в любом строительном магазине.

  1. Перфоратор – необходим для установки каркаса.
  2. Шуруповерт. При желании крепить пластиковые панели к профилю или брусу можно и с помощью перфоратора, но он весьма тяжел, и использовать его для таких задач очень неудобно. Потому наличие шуруповерта существенно облегчит работу и увеличит скорость монтажа панелей ПВХ. А если вы крепите их не на саморезы, а с помощью скоб, то вместо шуруповерта возьмите строительный степлер.
  3. Для контроля точности разметки и расположения пластиковых панелей вам понадобится угольник, уровень и малярная нить.
  4. Карандаш или маркер для нанесения линий и обозначения ПВХ панелей в порядке их укладывания.
  5. Рулетка для замеров.
  6. Электрический лобзик или дисковая пила – для отрезки профиля каркаса и пластиковых панелей.
  7. Лестница-стремянка. Разумеется, можно всегда обойтись столом или табуретом, но это небезопасно и неудобно.
  8. Резиновая киянка, которая может пригодиться для подгонки ПВХ панелей друг к другу при установке.

Инструменты для монтажа ПВХ панелей

Помимо инструментов, необходимо приобрести материал для каркаса. Это может быть либо металлический профиль (марки UD-27 для основного и CD-60 для направляющего), либо деревянный брус. Также не забудьте приобрести крепежи (саморезы, скобы или клей), сверла для перфоратора, насадки для шуруповерта, дюбели и подвесы для профиля.

Как установить пластиковые панели и освещение на потолок своими руками

Подбирая отделку для потолка, рекомендуется рассматривать те виды, которые могут быть смонтированы своими руками. Практичны в этом отношении подвесные конструкции, не требующие предварительной чистки и выравнивания чернового основания. Установка ПВХ панелей на потолок своими руками выполняется на предварительно обустроенный каркас.

Где лучше применять

Главный враг любой отделки (включая потолочную) — повышенная влажность. Наиболее влажные помещения в доме и квартире — ванная, кухня и туалет. При наличии слабой вентиляции вода и другие испарения начинают оседать на поверхности потолка, провоцируя постепенную порчу материала и появление грибка. Для таких условий нужно подбирать влагостойкую отделку. Пластиковые панели подходят под эти требования.

Сильные и слабые стороны

Присматриваясь к строительному материалу, первым делом изучают его характеристики. Потолочные ПВХ панели —это пластиковые ламели (длинна — 270-300 см, ширина — 25-30 см), оснащенные по торцам элементами соединения «шип-паз».

  1. Большой срок эксплуатации. Если соблюсти все рекомендации по установке и эксплуатации, то панели прослужат несколько десятилетий.
  2. Не сложный монтаж и уход. Установить потолок из панелей ПВХ своими руками можно даже в одиночку: главное тут — правильно соорудить каркас. В дальнейшем облицованную поверхность разрешается мыть, используя щадящие моющие средства. В этом отношении пластиковая отделка более удобна, чем панели из МДФ.
  3. Малый вес. Легкость отдельных элементов упрощает их перевозку и монтаж.
  4. Влагостойкость. В этом отношении материалам из пластика нет равных. Потолочные панели из ПВХ можно применять в самых влажных помещениях — ванных, туалетах, банях, бассейнах. Даже постоянное воздействие воды на отделанную таким образом поверхность никак ей не повредит.
  5. Декоративные возможности. В продаже пластиковая вагонка представлена в значительном цветовом и фактурном разнообразии, что позволяет подобрать оттенок для отделки санузла. Очень красиво смотрятся различные имитации камня, древесины и штукатурки. В целом подвесная система позволяет быстро и качественно выровнять поверхность потолка любого помещения, без использования трудоемких «мокрых» процессов.
  6. Удобство прокладки коммуникаций. Благодаря монтажному зазору между декоративной поверхностью и основанием, там очень удобно прятать различные коммуникации и провода. В самих пластиковых панелях можно без труда проделывать отверстия под светильники.
  7. Экологичность. В состав современных строительных пластиков не входят вредные компоненты с неприятным запахом.

Из недостатков можно выделить общее слабое место для всех подвесных конструкций — они несколько скрадывают жилое пространство. По этой причине подобную отделку не рекомендуется использовать в помещениях с низкими потолками. Также можно выделить некоторую простоту и незатейливость пластиковых панелей, которые уступают более дорогим реечным, натяжным или витражным системам.

Пошаговая инструкция монтажа потолков из пвх панелей своими руками

Для того, чтобы подвесной потолок из панелей пвх получился максимально красивым и долговечным, то по ходу его установки важно соблюдать определенную последовательность операций.

Закупка материала

Разновидностей пластиковых панелей достаточно много: они имеют разные размеры, оформление и фактуру. Особое значение имеет ширина отдельных ламелей. В небольшие помещения лучше брать вагонку шириной до 25 см, для более обширных — изделия большей ширины (например, 50 см). Для расчета нужного количества материала вначале определяют площадь отделываемого потолка, умножив его ширину на длину. Полученное число делят на площадь одной плиты (обычно этот параметр указан на упаковке), добавив к полученному результату не менее 15% на подрезание.

Кроме панелей нужно приобрести также специальные соединительные элементы:

  1. Стартовый профиль. Его крепят по всем стенам отделки с целью прикрыть торцы ламелей.
  2. Профиль F. С его помощью оформляются углы и переходы от одной плоскости на другую.
  3. Соединитель. Применяется для наращивания каркаса или отдельных панелей.
  4. Декоративный уголок. Этим элементом прикрывают наружные торцы на внутренних углах.
  5. Плинтус для потолка. Предназначен для облагораживания подвесной системы по периметру.
  6. Универсальный уголок. Позволяет аккуратно оформить любой угловой участок.

Для сооружения каркаса работы понадобятся металлические профили или деревянные бруски. Их подсчет удобнее всего провести при помощи составленного чертежа.

Вдоль длинных стен чертятся параллельные линии с шагом 40-60 см: после этого определить общую длину этих направляющих довольно несложно. По периметру помещения потребуется установка более жесткого поддерживающего профиля или бруса. При подсчете крепежного материала в учет берется общее число направляющих и шаг крепления (обычно это — 30 см). При выборе между деревянным или металлическим каркасом учитывается небольшая цена первого варианта и простота монтажа, а второго — повышенная влагостойкость.

Для работы также необходимо запастись следующим инструментом:

  • рулеткой и карандашом (маркером);
  • строительным уровнем и уголком;
  • бечевкой;
  • ножницами по металлу;
  • стусло;
  • ножовкой по дереву и металлу;
  • болгаркой и диском до 2 мм;
  • ударной дрелью или перфоратором;
  • шуруповертом;
  • удлинителем.

Подготовка основания

Как уже говорилось, при монтаже потолков из ПВХ панелей предварительное выравнивание основания не проводится. В этом случае достаточно элементарных подготовительных мероприятий. Черновую поверхность нужно освободить от старой отделки, осветительных приборов, грязи и пыли. Слишком слабые участки основания желательно удалить киркой, заделав образовавшиеся дыры грубой шпаклевкой. После высыхания раствора все основание обрабатывается антибактериальной пропиткой.

Нанесение разметки

Перед тем, как сделать подвесной потолок из панелей ПВХ, необходимо провести разметку основания. Чтобы обозначить общий уровень подвесной конструкции, каждая из стен отделываемой комнаты маркируется линией. При этом нужно сразу выбрать тип светильников. В учет также берут наличие перепадов, укладку скрытых коммуникаций. Для дальнейшего удобства прокладывания проводки от верхней кромки обрешетки до основания оставляют не менее 20 мм: в этом случае каркас практичнее всего монтировать на подвесы.

За ориентир для нанесения разметки выбирается наиболее опущенная точка перекрытия. Отталкиваясь от нее, стены оснащаются соответствующими метками: для их нанесения понадобится водяной уровень. Получить сплошную линию можно при использовании меловой нити: с ее помощью отбиваются соединительные участки между отдельными точками. Подобным образом размечается место установки поперечных крепежных перемычек: они устанавливаются строго перпендикулярно к направлению укладки ламелей, на расстоянии 40-60 см друг от друга.

Сооружение монтажной обрешетки

В качестве материала для каркаса используют деревянные бруски или металлический профиль для гипсокартона. Если отделка осуществляется в помещении с повышенным уровнем влажности, рекомендуется использовать обрешетку из металла. Эти конструкции очень удобно выравнивать благодаря специальным подвесам, позволяющим понижать уровень финишной поверхности на 30-40 мм. Чтобы избежать значительного скрадывания жилого пространства, расстояние от перекрытия до обрешетки рекомендуется делать не более 4 см.

Первым делом периметр комнаты по отбитой линии оформляется стартовым профилем 27×28. Затем устанавливается основной профиль 60×27. Подбор крепежных изделий проводится в зависимости от материала стен.

Используя дюбель-гвозди, потребуется предварительное оснащение профиля и стен соответствующими отверстиями. При монтаже стартового профиля необходимо применить уровень, это позволит начальному и конечному отрезку периметра сойтись в одной точке.

На следующем этапе фиксируются металлические подвесы по заранее отбитым продольным линиям. Оптимальная дистанция между отдельными приспособлениями — 80 см. Для крепления здесь также применяются саморезы или дюбель-гвозди: после установки их лучше сразу загнуть, что упростит монтаж основных направляющих. Подгоняя основной профиль по длине, по каждому краю нужно оставить зазор в 5 мм, полученные отрезки вкладываются внутрь стартового профиля, фиксируясь на саморезы к подвесам. По ходу этой процедуры необходимо проверять направляющие на предмет горизонтальности и прямолинейности.

Монтаж панелей

Готовый каркас по периметру оформляется специальным П-профилем, внутрь которого вставляется потолочный плинтус. Это позволит получить между ними и обрешеткой монтажное расстояние для установки первой ламели. Удобен в этом отношении потолок из панелей ПВХ в ванной, т. к. это помещение обычно имеет ровную прямоугольную форму. Это дает возможность изначально нарезать панели одинакового размера, сделав запас в 5 мм на толщину профиля.

Первую полосу вставляют внутрь П-образного профиля шипом вперед: он фиксируется к каркасу при помощи самореза с широкой шляпкой. Шип второй панели погружают в паз предыдущей (можно помогать себе узким шпателем). Проводя дальнейший набор ламелей, важно добиться плотного их прилегания друг к другу. Последняя полоса, как правило, нуждается в продольном разрезании: делать это нужно аккуратно. Набранная пластиковая поверхность оформляется по периметру потолочным плинтусом, подрезанным под углом 45º. Для маскировки угловых стыков используются специальные накладные заглушки.

Устройство потолочного освещения

Чтобы смонтировать в подвесную конструкцию светильники, нужно еще на этапе сооружения каркаса точно разметить их расположение. Это позволит изначально подвести к нужным участкам проводку. Вырезают посадочные места под осветительные приборы по ходу установки панелей, для чего используется острый нож или фреза — так будет соблюдена точность их размещения. В проделанные ниши сразу проводится монтаж и коммутация светильников. Электропроводка выпускается наружу, а монтаж освещения осуществляется по завершении отделочных работ.

Рекомендации по уходу за поверхностью

В течение последующей эксплуатации пластиковые панели достаточно неприхотливы в уходе — их можно время от времени протирать мокрой губкой.

В особенном уходе нуждается разве что пластиковый потолок на кухне, т.к. кроме обычной влаги на его поверхности скапливаются жировые отложения и копоть. В этом случае для уборки используют моющие неабразивные средства.

Итоги

Подвесной ПВХ потолок — не сложный вид для самостоятельной реализации из всех таких конструкций. Несмотря на незатейливость, пластиковые панели популярны при отделке кухонь, санузлов и лоджий. При последующем уходе за отделанной поверхностью ограничений на то, чем мыть потолки из пластиковых панелей, не так много.

Читайте также:  Средства от комаров на даче
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: