In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  11, N o.  1, Mar ch 20 20,  p p.  200~ 2 1 2   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v11 . i 1.pp 2 00- 21 2           200     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i j p eds.i a esco re .com  Efficiency comparison   of capacitive wirel es s power tra n sfer for   d i fferent materials       F.  K.  A.  R ahman 1 , S .   S aat 2 ,   A. Khafe 3 , Y . Y u s op 4 ,  S .  H.  Husin 5 ,   M .  H .  J a m a l u d d i n 6    1 , 2, 3, 4, 5  Centre  f o r  Tel ecomm unicat io n   Res e arch  & In nov ati o n ,  Univ e rsi t i  Tek n ik a l  Mal ays i a M e lak a  (UT eM ), M ala y si a   6  Dep a rtm e nt of Elect rical  En g i n eer in g,   U nivers iti T e kn olo g i   M a la ysia ,  Ma la ysia       Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  A pr 8,  201 9  Re vise d A ug  1 4 ,   201 9   A c c e pte d   N ov 3,  201 9       Th is   p a p er  d escrib es  t h e   a pp li c a ti on  o f   s ev era l   t yp es  o f   m a t e ri als   t o   act  a s   capa c i tiv e  p l ates  i n  a  Ca p acit i v e   P ow er  T ran s f e r  (CP T )  sy s t em .  In  g ener al ,  th e  ef fici ency  o f   CPT   sy st em  i s   great ly  i n f lu enced  by  t h e  cou p l in g  capa c i t ance  w h ich  i s   v ari e d  b y   d istan ces  a nd   p erm i tt ivity   val u e s .  T h u s ,  t h i s   pap e r  in ten d ed  t o   com p are   th e  p e rf o r man ce  of  C P T   s ystem   i n   t e r m s  of  t he  ou tp ut   e ffici e n cy f or  s everal t y p e s  of   cap aci t i ve pl a t e s.  T o   be  speci fic, copp er  p l a t e ,  z i n c ,  a n d   a l u m i n i u m  a r e  u s e d   i n  t h i s   w o r k  t o   a c t  a s   c o u p l i ng  p lat e s  to  the  CP T   sys t em.  The  CPT  sy ste m   i n  thi s   w ork  a ppl ied  class  E  inv ert e r  as  it  has   lowest   swit c hi ng  l osses   am o n g  i t s  com p etit o r s,   i .e.   class   D  a n d  c l a s s  F .   Th e  wo rk  i s  vali dat e d  t h ro ug h  e x perim e n t al   s et u p   o f   CP T   sy st em   in  w hich  cop p er m at eri a l prov id es t he b est effici e n cy  o f t h e s y stem.   K eyw ord s :   Al u m in iu m ma t e ri al   Ca pac i t i ve  p o w e r  tr a nsfer   C l as s E co nv ert e r  Cop p e r  m ater ial   Zinc m aterial   Th is  is a n  o p en acces s a r ti cle u n d e r t h e  CC  B Y -S A  li cens e .    Corres pon d i n g  Au th or:   Shaki r  S aat,   F a cult y   o f   E l e c t ro nic  an d C o mputer  En g i ne er i n g,   U n i v ersi ti   T e k ni ka l Ma la ysia   M ela k a,   H a ng  Tua h  Ja y a,  7610 0 D u ria n   T u n g g a l  Mel aka ,   M a l a y sia.   Em ail:  sha k i r @u t e m. edu. my       1.   I N TR OD U C TI O N    Wi r e less  P o w e r  Tra n sfer  r e s e a rc hes  ha v e   b e e n  g o in g   on  for  mult i p l e   de ca de s.   T he   m ajor  con t ri b u ti on  of   t his  a r ea   m ad e  by  In d u c t i v e   P o w e r  Transfe r   (IP T )  w h ich   im pl e m e n t  th e   usa g e  o f   m agne t i cs   (in duc t o rs  o r  core s)   [ 1-3] .  O t he r  t h an  I P T ,   Ca paci t i ve  P o w er  T r ansfe r   ( CP T)  a nd  A c o u s t i c   E ner g y  T r ansfer   (AET)   a re  a lso  available  [4-6].   C PT  h as   b een   o n e   o f  th e   ma j o r  r esea rche s   in  b uil d in g  s u sta i na b l e  en g i n eer i n g   syste m   now a d ays,  a s  par t   o f  the  e n c ourag i n g  de ve l o pm en t   of  w ire l e ss  powe r   t ra n s f e r  du e  t o   i t s   s t r ong   a nti - in t e rfe r enc e   a b ili ty  o f  the  m a gne t i c  fiel d  [ 7 ].  T he  m ost  si g n i f i c ant   di ff eren ce   o f   t h es e  typ e s  of   w i r e l e s s  p o we r  trans f e r   s yst e m   is  i n  term s  of  t he  c ou p l in g  be tw een  t ra nsmi tter  a n d   r e c e i v e r  s i d e   i n  w h i c h  C P T  u s e s   e l e c t r i c   fie l d  pr o p a g at i on [8,   9]   w hi le  IP T  uses ma gn e t i c   f i e l d  tran s fe r  [1 0 , 11]  a n d   p ro pa gat i on of s o u n d  w ave s  is  t h e   me tho d   u se d i n   A ET [12,  13].     Desp i t e   o f  it s  re l i a b ili ty ,  th e   IP T  syst em  i s  having  w eaknesses  w h i c h   i s   u n a b l e  t o   p e n e t r a t e   m e t a l   sh i e ld in g  due  t o  low   a n ti-i n te rfere nce   a b i l i t y   o f   t he   m a gne t i c   fie l d,  a n d   a lso  l a rge r   e d dy  cur r ent  pro duc e d   b y   IP T thus i nd i c a t e h i ghe r los s e s  [1 4 ]. These  i ssue s  ar e  t he n e n h a n c e d  b y   implem en t i ng CP T ap proa ch. In  CP T,  st r o ng  a n ti- int e rfe r ence   i s  a b le  t o  r e d u ce   e n e r gy  l o ss  a n d   e lec t r o m ag n e ti c  i n t e rf ere n ce ,  a   p a rt   f ro m  en ab li n g   the  pa rt i c ul a r   d e v i c e  t o   w ork   in  s at ura t e d   o r  inte nse   m a g n e tic  fiel ds  e n v i r onm en t.  T he  b a s ic   i dea  of  a   C P T   syste m   i s  as show n  in  F igure   1.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Ef fi c i e n cy  com par is o n  of c a p a c i t i ve  w i re l e s s   po we r tr ansf e r  f o r  d i f f ere n t  m a t e r i als ( F . K.  A.  Rahm an)   20 1     F i gure  1.  B a s ic   C P T  S ystem   w i t h  bi p ol a r  c o n fi gurat i o n       F r om   F igure  1,   C P T   s y s t e m  c o n s is ts   o f  tw o  ma jor   parts  w h ic h  ar e   t he  t ransm i t t i n g  uni t   an d  t h e   rec e iv in g  uni t  and  is  s e p ar ate d   b y  a  m e d i um   i . e .   air/  s k i n/  p ap e r /  etc.   B u i ld ing  CPT  s y st em   by  u s i n g  cl ass  E   in verter   i s, at  t h e m o me nt ,   t h e most rel iab l e   me t h o d  for h i g he r  fre q u e n c y  app l i c a t i o n s [13- 15].   O n  to p   of tha t,  t h i s   t yp e  of   i nve rt e r   i s  al s o   u se d   b e c a u s e  of   i t s   s i m pl e   to p o lo g y   a n d   t he ab i l ity t o ac hi e v e   ve ry hig h eff i c i enc y   in  r e t urn.  T his is  d ue to  t h e  Z e r o - V olt a ge  S w itc hi n g   ( Z V S)  c ha r ac t e ristic s  of  c lass  E  w h ich is  a b l e   t o   p r o d u c e   1 0 0 %  swit c hing  c o ndi tio n   [16].  The   m o st  c om m on  co nf igur a tio n fo u nd in pr e vi ous  w ork s  is t h at t he C 1  a nd C 2  are   loca te d  pa ral l e l   t o  ea ch  o t h e r   t o  form   b i p o l ar  c o n fi gura t i o n   [1 7]  w hic h   c o n sists  of  t w o   s e t s   o f   t r a n s m i t t e r  a n d  r e c e i v e r   p l a t e s     [1 4,  18,  19] .  The   transm it ter   pla t es  h ave   be e n   d ri ve n  by  a   hi gh   f r e que nc y  inve r t er  w i t h   a   180-de g r ee  pha se   di ffe re nce   by  a  hi gh  a l te r n at i n g  v o l t a g e.   T he   r ece iv e r   p la tes,   on  t h e   o t her  hand s,   a re  c onn e c ted  t o   t he  l oa d.  I n  Fi g u r e  1 ,   w h e n   o n e   p ri ma ry   p l a t e   i s  po s itiv e l y  ch a r g e d ,   t h e   o t h e r   p r i m a r y  p l a t e  h a s  a  n e g a t i v e   c h a r g e  a n d   there f ore  ph a s e  a lter i ng   p o t e n t i a l s  e x ists  t h e r e .   A n   a lterna t i n g  e l e c tr ic  f ie l d   p r o d u ce d  b y   t h i s  proce ss  c a use d   pow er  to be  d e l i v ere d  t o t h e  loa d .   A p a r t  from  i t s   adva n t age s ,   C P T  is  c urr e nt ly   h av i ng  m a j o r  i s s u e  rega rd in g  t h e  ou t p u t   e f f ic ie nc y  a s   separ a t i on  dis t a n ce   i s  i n cre a sing.   I n  the   pre v i o us  w ork  [2 0 ] ,  t h e  g a p  b e t w e e n  t h e  c a p a c i t i v e  c o u p l i n g   n e e d  t o   be  l esser   th a n   1 m m   for  basi c   c i r c u i t   c o nfig u r at io n  w i t h   c l a ss  E   i nver t er   i n   or de r  t o   a c h ie ve   e ffi c i e n c y   o f  98.4 4 %.   B es id e s ,  ther e  wa s  als o   a   g a p   d istanc e  a n a l y s i s   w hic h   c o n c l u d ed  t hat  a s   d ista nc e  i n cr eas e s ,   the   e ffi c i en cy  o f   the   sy st em i s   t r e m e n d o u s ly  d e c re as es ex p on e n t i all y.   Th is  w or k  is  d elive r ed  t o  perfo r m   p erf o rmance   c om paris o n  of  d i f fer e nt   m aterials  o f  t h e  c a pac i t i v e   pla t es  f or  t he   e x i st i n g  c l ass  E  CP T  syst e m   w ith  a n  impe dance   m a tc hi n g   c ircu it.  B e s ide s ,   th is  w or k   is  a l s o   do ne  t o  va l i da t e   t he   t he ory  w h i c h  me n tio ne d  t h e   fac t or s  a ffe c t i n g   t he   c a p a c i t a n ce   v al u e s  ar e  the  p l at es  a rea ,   pla t es   d is ta nce ,   a nd  d i e l ectri c  m a ter i a l s  [2 1].   T o   t he   a ut hors’   k n o w l e d ge,  t o   d a t e,  t h e re   i s  no  re sul t   on  t h e   com p aris on  of  o u t pu t  eff i c i e n cy  o f  CP T  syst em   f or  d iffere nt  t yp e  of  m a t er ial  a v a i la b l e,   i ns tea d   m os t  o f   t hem   exp l a i ne d  a b o u t  t h e  e f fe ct  o f  ou tc om es  b as e d   o n  d i ffer en t   di e l e c t ric  m a t e rials  of  t he  C P T   s ystem   [9,  17,   2 2,   23].  H e nce ,   t his  w o rk  a im s  to  s t u d y   t he   u n d erl y i n g   p r o b le m  a nd  t h e n   t o   p r op os e  t h e  b e st   m at e r i a l   to   b e  a p pli e d  i n   t h e   f ra me wo rk   o f  CPT  sy st e m .  Th e  co nt ribu t i on s  f r o m   t h is  p aper   c a n   b e   s u mm a r ized  a s   fol l ow s:   (i)  th is  p a p er  f oc uses  on  i n t r od uci n g  d i f f e r ent  ma t e ria l s   w h ic h  a r e  c o p p e r ,  z i n c   a n d   a l u m i n i u m   a s  t h e   alter n a t i v es  t o  ac t  as  c a p a c i t i ve   p late s  in  a   C P T   s ys tem   wit h   C las s -E  r esona n t   i nve r t e r   t o p o l o gy  a nd  a  π1a  impe da nce   m a tch i ng   n e t w o r k ;   (i i)  t he   o ut p u t  vo lta g e   o f  t h e  sys t em   can   s t i l l   b e  m a i n t a ine d   o ve r  50%   f rom  op tim um  v al u e s  eve n   a f t e r   10  piec e s   o f  pape rs  w ere   over l a i d  in  b e t w ee n   t h e  p l ates .  Th i s   i nd i cat es  t he  re l i a b ili t y   o f   eac h   mat e ri al   c h o s e n   t o   b e   c ap ac it i v e  pl at e s ;   (i i i )   t h e  e f fe c t s  on   p erf o rm ance s’  o u t c o m e s  ar e  ana l yse d   i n  te rms  of  Z er o-V o lt a g e-S w it c h in g  (ZV S )  condi tio n  a n d   o u t p u t  vo l t age   a nd  be in g  c o m p are d   f o r   a ll   t h re e ma t e ri al s u s ed .   S e ct i o n   2   wi ll  b e   fo c u sing   on  t h e  b a c k g r ound   s tud y ,   S ec t i o n   3   i s  t h e   e xpe rime nt a l   s et u p , S e ctio n  4 i s   abo u t   t he   e x p e r im enta l  re su l t s ,  and  t h e  la st   s ect io n  i s   c o n c ern i ng  o n   t he   c o n cl us i o n  a n d  the  e n ha nc e m ent  w o rk  f or  t he  fu t ure .         2.   B A CK GROU ND STUDY    2.1.   C l a ss  E  c i rcu it c on figu rati on   O n e   i m porta n t   f e a t u re  o f  t h e  CP T  sys t e m   a s  hi gh l i g h t ed  i n   F i gur e  2  is  c la ss  E  c i rcui t  co nfi gurat i on.   Th is  t ype   o f  c i rcui t  c o n f ig u r a t i on  c o nsi s t s   o f  a  pow er  M O S F ET  o p e r a t e s   a s  a  s w i t c h ,  a   L- C - R i   ser i e s -resona nt   circ u i t,  a  s hunt   capa c i t or  C 1 ,   a nd  a  cho k e  ind u c t or  L f   [24 ,   25] .   The   Clas s  E  circ u i t  c o n f ig ura t i o n  has  be e n   i n t ro duce d   b y   The  S o ka ls.   It  i s  ut il ize d   b e c a use  o f   i t s   si m p lic i t y  a n d   the  bas i s  o f   t he  c ircu i t   o p e ra t i on  w h ic h   in c l ud e s  t h e   un i que  p ri nc ip les  o f   l oa d  ne tw ork  opera tio n  to   a c h ie ve  b e t ter  e f fic i e n cy   [ 2 6 ,   2 7 ].   F igure   3  s h ow s   t he   pow er  e ffic i e n c y   re sult in g  fr om  C l a ss  E   c i rcui t   c onf igura t io n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :    200  –   21 2  20 2      F i gure  2.  C lass  E  circ u i t   c o n fi gura t i o n   F i g u r e   3 . O pti m um w avef or m s   i n Cl a s s  E c i rcu it  f o r  maxi m u m   power  efficiency [ 26]      H o w e ver,   t he  w a v efor ms  o f  F i gure  3  in  w hic h   t he  d e l a y   i s  inc r ea sing  from  zero  u ntil  t he  o ther   w a ve form   h a s   c om ple t e d   d ec r easin g  t o   zer o ,   m a y   o n l y  be   f or me d  b y  ap p r opria te   d es i g n   of  a   n on-r e sisti v e   l o ad   n et wo rk .  Th e  e ffi ci en c y   o f  th e   re su lt s  co ul d   t h en   b e   i n   a   pro p er   i nc re me nt   i f  t h e  t r a n siti o n   t i m e  of  t h e   swit c h   i s  in   a n   ap pre c iab l e  fr acti o n  of  a   h a l f- cycle   o f   t he   A C  w a ve form .  F u rtherm ore ,   t he  Z V S   o p e rat i o n ,  a s   the  c l ass  E  sw itc h i n g   c o n d it i on,  a b l e  to  m i n imi s e  th e  sw it c h ing   l oss  an d  lea d s  t h e  co nver t e r   t o  ha ve   h igh   con v er ti ng  ef fic i enc y   e ve n  w h en  t he   c on ve rte r   w orks  a t  hi g h   f re qu e n cy .  B a sed   o n   t h e   t h eo ry ,  t h e  c l ass   E  am plif i e r c a n  w o rk from  sever a l m e ga hertz   to doze n  o f  me gaher t z  w it h a   hig h -spee d   p o w er  t ransistor   [28] .    2.2.    Imped a nc e  match i ng c ircu it  I m pe dance   m a tc hi ng  has  b een  u se d  t o   i ncr ease   the   a m oun t  o f   p ow e r  extra c ted   in  a   pow e r   c o ndi ti o n ing   ci rcui t  in   [ 2 9 ] .  Mo re ov er,  by   u si ng   i mp e d a n c e   m at c hi ng,   [ 18]  s uc ce e d   t o   ac hie v e  ou t put   e f f i c i e n c y  a s   h i g h  a s   9 5 . 4 4 %  w h i l e  s t i l l  a b l e   t o  p r o d u c e   a   s t a b le  s in uso i dal   s i g n a l   t o   d r ive  t h e  c a p ac iti ve   cou p l i ng  base d   on fla t   r ec t a n g u l a r c o pper  pla t es,   and  opera te d  at   1MHz.  CP T  sys t em   i n   th i s   w or k  use d   a   π 1a  i mpe d ance   m a t c h in g  circ u i t  w her e   a   c a p aci t o r  is  a dde d  para lle l  to   t he  l oa d  (R L ).  T he re  a r e   s ever al  t ype s  o f   m atc h i n g  ou t line d   b y   [2 5]   a nd   o ne   o f  the m   i s  by   t a p pi ng  th e   resona nt  c a p ac ita nc e  C  t o   a cc om pl i s h  the   im peda nc e  trans f orm a ti on,  a s  show n  i n   c ircu it   c onf igur at ion  of  π 1 a   impe da nce   ma t c h i n g   c ircu i t   i n  Fig u re  4 .  Th e  com p l e t e   c irc u it  c o nf i g ur at i o n  of  c lass  E  in ver t e r   w i t h  the   π 1 a   impe da nce   m a t c hi n g  ne t w o r k  is g i ve n i n   F ig ure  5.           F i gure   4.  π1a  i m p eda n ce  m at chi n g circ u i t   [2 5]   F i gure  5. CP T  sys t e m  w ith   c l a ss  E inverter  w it h π1a  impe da nce   m a t c hi n g  ne t w o r k  il l us trate d  by  MA TLA B S i m u l i nk  [1 8]       Th e  re as on   o f  c h oo si ng   t hi s  i m p e d a n c e   ma t c hin g   i s   b e c a u se   i t   p r ov i d es  dow nw ar d  im peda nc e   trans f or ma t i o n , and  the   a dde d c a pac i t o r w h ic h is i n para l l e l   w i th the  r esist i ve loa d ca n m a in ta in t he effi c i e n cy   of  t he  c i r cu i t   a s  series  c apac i t or  C 2   l a t e r   m odif i e d   t o  capa c iti ve   c o u p li ng  pla t es  t o  fit  t h e   ac t u a l  C P T   s y s t e m   [2 7].   By usi n g  th i s  circ ui t,  t he  c apac i t or  C 3  c an be   c a lc ula t e d   by us in g  equ a ti o n s desc ri be d in [ 2 5 ],  a s fol low s :   The  se ries  e qu i v ale n t re si sta n c e   R S   i s  giv e n  by  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Ef fi c i e n cy  com par is o n  of c a p a c i t i ve  w i re l e s s   po we r tr ansf e r  f o r  d i f f ere n t  m a t e r i als ( F . K.  A.  Rahm an)   20 3       0 .576 8     (1 )     The  rea c tanc e  fact or,   q  f o r  t h e   Ri-C 3   and   R S -C S  e q u iv a l ent   t w o - t e rmi n al  n et wo rk s i s     q  =     =       (2 )     Fu rt h e rmo r e ,   r esi s t a n ces  Rs   a nd  Ri  a s   w e l l  a s   t h e   r e ac t a n c e    a nd    a re also i n ter r ela t e d   b y      =    =        (3 )   and      =      =         ( 4 )    Re arr a ngem e n t   o f (3)   yiel d to      q  =     1    (5 )     Mea n w h ile,   su bs t i t u t i on  o f  ( 5) int o (2)   gives         =    1    (6 )     Later ,   o ne  a rrives  at       =    =        1    (7 )     F r om  ( 2)  a nd (5), w e  have      =    =     =        ( 8 )     It foll o w s  from   (8) that t he  r esis tance s  o f  circ ui t sh ow n i n   F i gure  4 c a n sa ti sfy  the   i n eq ua l i t y            (9 )     S ubo p timum  o pe rat i o n  is o b t aine d f o r     0      .  ( 10)    This   c orr e sponds to       ∞ .   ( 11)    More ove r,  t he  a mpli tud e  of  v o lta ge  a cross  C 2 , V C 2m   can  b e d e t e rmin e d  by    VC 2m  =  Xc 2 Im     ( 12)      3.   EXPE RIMENTAL   S ETUP FOR C PT   S Y S T E M:  D IFFERE N T  COUPLING P L ATES   The   CPT sy ste m  w it h impe da nce   m a tc hi n g   c i r cu it is fur the r   u ti l i z e d   to a na ly s e  t he e ffe c t  of   d i f f e r en t   ty pes   o f   c a p ac it i v e  pla t e s   a s  t h e   tra n sm it t e r   an d  the   re cei ver   pa rts.   T h i s   se ct ion   descr i be s  t h e  e xper i m e ntal   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :    200  –   21 2  20 4 set up  f o r  differe nt  m ater i a l  of  c ou pl i ng  p l ate s .   The   spe c i f ic at i o n   f o r   th e   s y s t e m   i s   ta b u la t e d   i n   T a b l e   1 .   B a s e d   o n   th e   sp e c i f i c a t ion   i n   T a b l e   1   a nd   u sing   e qu at io ns  g i v en   i n   p r ev i o u s   s ect io n,  t he   c om p one n t s  va lue s   o f  th e   system  i s  as lis t e d in Table 2.       Tab l e  1.  P re -de t e r mine d  spec i f ic a t i o ns  o f c l a s s  E CP T  pow er  a m p lifie r  S p eci f i cati o n   Va l u e  O u tp u t  p o w e r , P o   10W  Inp u t volta ge, V i   12V  Du ty  c y c le , D   0 .5   Fre que n c y ,   f   1 M H z  Qua lity  f a c t or, Q  1 0       Ta b l e   2.  V a l ue s of  c om po n e n t s  use d  for CP T   c irc u it w i t h  π1a  im p e d an ce ma t c h i ng  n etwo rk   C o m pone nts   V a l u e  L ch o k e   100µH   C Shu n t   52. 1p F   L Ser i e s   60. 3µH   C Se r i e s   ( C 2 )   C a p a c iti v e  c oup l i ng  0. 15m   x  0. 1 6 m   ( 2. 44nF)   R L   18Ω  Im pe da nc e   m a tc h i n g   ( C 3 )  9.8 n F       F u rtherm ore ,   F i g ure   6  sh ow s  the   e x pe rime nt al  s e t u p   w h i c h   c o n sis ts  o f   a  MOSF ET  driv er,   a  cla s s  E   circ u i t,   a nd   t he   r esisti ve  l oad,   R L .  Th e  pl at e s   u sed   in   t hi s  w o rk   w e r e   pl a ced   o n  th e   bo ok e n d s   t o  e nsur e  t h eir   st a b il it y  an d  relia b i lit y  t o   t r a nsfer   p o w e r  w i re l e ssly.   A p a rt  f rom   the  C P T  syst e m ,   t h e   exper i m e n t a l   w orks  do ne  b y  usi n g   three   d i ffere n t   m ater i a ls  c om m onl y  a v a i l a ble  in  t he  m arke t,  n am el y  Z i nc ,  A l um ini u m ,   a nd   Cop p e r ,  as show n  i n   F ig ure   7.           F i gure   6.  E xpe rim e nta l   s e t up  for  th e   CP T  syste m   F igure  7. D i f fe r e nt t ypes o f  ca p ac it iv e pla t e s  for   a l um i n i u m ,   z in c,  a n d   c oppe r       A ll  of  t he se  p late s  a r e  of  s a m e  siz e ;  0.16 m   x  0. 1 5 m.   T he  s iz e  i s   m a i n t a i n e d  t o   e n s u r e  t h a t   t h e   ou tc ome   o f   t hi s  w o r k   w i ll  o n ly  b e  ba se d  on   d iffere n t   t ype s  o f   c a p ac iti ve  p la tes   use d .   Th is  w ork  i s   furt her m or e,  objec t i fie d   t o  prov i d e  s i g n ific a n t  e v i d e n ce  t h a t   t he   o ut p u t   p o w er   w ill  no t  be   a ffe c t e d   b y  th e  ty pe   of  m a t er ial s   u s e d   for   c a pa c i t i v e  pl a t es.  As  m enti o n ed   i n  [21],   t h e  val u e  of  c a p a c i tance   of  a   c irc u i t   w ill  be  in flue nce d   b y   p l a t e s   s ize ,   p l a te s  di sta n ce ,  an d  the   d i ele c tric  ma terial s   use d .  In  t h i s   w o r k ,  the   d i e l e c tr ic   ma terial  u se d  thr oug h o u t   t he   e xper i m e nta l   w ork  i s   a n   A 4   p aper .  To  i ncr ease   ga p  dis t a n c e   be t w een  t he  p l a t e s,  the s h e e t o f   p a p er  is incr ease d   by o n e  per  readi n g, a s show n in   F ig ure  8.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Ef fi c i e n cy  com par is o n  of c a p a c i t i ve  w i re l e s s   po we r tr ansf e r  f o r  d i f f ere n t  m a t e r i als ( F . K.  A.  Rahm an)   20 5     F i gure   8.  S he ets of  A 4 pa per  over l ai d  in  b et w e e n  the  capa c iti ve  plates ( i n  circl e )      Base d   on  F i gur e  8,  t he   A 4  pa per   u t i l ized  i s  70  gsm  w h ic h  ha s  t h ic kne ss  of  0 . 01  mm ,  and  p l ace d   in   betw ee n  bo t h   t ra nsmit t er  a n d   t he   r ec ei ver  pa rt  o f  t h e   s y ste m .  T he  p a p e r ,  w h ic h  has  d i el e c tric  c o n s t an t  2. 0-2. 5   [2 3,  3 0,  3 1],   r e pre s en ted   die l e c tric  m ateria l  w h ic h  i s   one  o f  t he   f ac tors  t h a t  wi l l   a ffe c t   t h e   c a p ac ita nc e  val u es .   The  par ticu l a r   capa c i t a n ce   v a l ue   o f  t h e   capa c iti ve   p la te s  c a n  b e  deter m ine d   by  usin g  for m ula      [ 22] ,  wher eby  d   i s  t h e   d i sta n ce  be tw een  t he  t r a ns mitter  a nd  t h e  re ceiver   p l a t e ,  and  A   is  t he  a r e a   of  t he  c apa c i t i v e   pla t e  w h ic h  i s   f i x e d   a t  0.05  m 2 .   Besides,    i s  a  con s t a nt  ( 8.85  x   10  ,   a nd    i s  t h e   relati ve  perm it t i v ity /d i e lec t r i c   c o n s ta n t   o f t h e  ma terial.       4.   EX PERIMENTAL   R E S ULT S     B y  u s i n g  s e v e r a l   d i f f e r e n t  m a t e r i a l s  a s   t h e   c a p a c i t i v e  p l a t e s ,   t h e   o u t c o m e   o f  t h i s   w o r k  a r e  a n a l y s e d   in  t er ms  o f  th e   Zero-vo l tage - s w i t c h i n g   ( ZV S )   c ondi ti on  a nd  the   ou tp u t   v ol ta ge   o f  the  s y s t e m .   The s e  ana l yse s   are   v e ry  i mp ortan t   f or  v er if ying  the   w o rk  b e cause   s ince   t hi s  sy s t em   u ses  class  E  as  t he  power   a mplifier,   Z V S  ana l ys is  b ei n g   a n  imp o r t a n t   f actor  t o  be  t a k e n   i nt o  a c c o u n t   a s  i t   w i l l  dete r m ine  the   e f fic i e n c y   o f  t h e  s y stem .  Th e   op e r at ion   o f  ZVS   i s h i ghl y se nsit i v e wit h  t h e   c i r cu it  p ara m eters (namely   L ,  C  an d   R )  varying. Practically,  the  res ona n t   c o m pone n t s  of  c l a ss  E  i nver t e r   w il l   sh i f t  a f ter   th e  s y s t em   h as   o perated  for  a  period  o f   ti m e .   The  loa d   s i t u at i on  w i l l   a l s o  affec t   t he   r eso n an t   ope rat i o n .  Th is  w o r k   w ill   b e  foc u s e d  on  t he  e ffect  o f  ZVS  c o ndi ti o n   ont o   t h e  ou t put   v o l ta g e   o f  th e   sy ste m .  Th e o re ti c a l l y ,   t h e   o ut put   v olt a g e   w ill   t e r ri bl y  d e c r e a s e  as   t h e   ZVS   is not achi e ved.      4.1.   C op p e r   mate ri al a s c o u p lin g  p l ate   Th e  fi rst   ma t e ri a l   u ti li z e d   in  t h e   s e r i e s  of   e x p e ri men t s  is  c op pe r.  C op pe r  is  c h o se n  b e c a use  of  its  ava ila b i l i t y  i n   t he   m a r ket,  a nd   a l s o  bec a u se  o f  i t s  pos i t i o n  i n   t he  p e r io dic   t a ble   a s   a mon g   t he  b es t  me ta ls  t ha t  is  e xist  i n  s o l i d   t ype ;  G r o up  1 1 .   A f ter  be i n g   exam ine d ,   t h e  re s ults  o f  o u tp ut   v olta ge   o b t a i ne d  a r e  tab u l a t ed   a s  in Ta b le  3.       Tab l e  3. O ut p u t  vo l tage  f or  c o pper   u p  to  t e n shee t s   o f pa per  S h e e t   o f   p a p e r   1  2  3   4   5  6   7   8   9   1 0   O u tput  volta ge ,  V ou t  (V )   4 9  4 1   3 4  3 1   3 0  2 8   2 7  2 6   2 4  2 3       The   o u t p u t  v o l t a ge of t h e sy ste m  is dec r ea sing b y   t he inc re m e nt  o f  t h e   nu m b er of p a per,   a s  sh ow n  i n   Tab l e  3.   B e s i d es,   t h e   par tic u l ar  r e s ults  a r e   a ls o  sh ow n  gra p h i c a l ly  b y  s e r i e s   o f  d i a g ram s   a s  m e ntion e d  i n   F i gure   9,  w hic h  e xp la ine d  t he   Z VS   c ond it io n  and t h e  o u tp ut v o l t ag e fo r c o pp e r .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :    200  –   21 2  20 6 (i) 1  sheet  o f A4  p ape r      ( i i )  5 she ets o f   A 4 pape r      (iii)  10 shee t s   o f A 4   p a p e r      (a)  ZV S   cond it i o n   ( b ) O u tpu t  v ol t a ge     F i gure   9.  S eries of dia gra m s  i n d i c a tin g  the   o u tc om es of CP T  sys tem   usi n g   c opper  as the  c a p aci t i ve  pla t e s      F i gure 9  i, i i ,   a nd i i i   (a )  i n dic a t e   t h e ZV S   co nd i tio n o f  the  C l a ss  E,  a nd   F ig u r e  9   i ,   i i ,   a nd  i i i   (b )  sh ow   the   o u t pu t  v o l t a g e  o f   t he   s yst e m   Ba se d  on   F igure  9,  t he   Z V S   o f  th e   syst e m   i s  i n   a   p erf e ct   c on dit i on  wh e n   bei n g  se par a te d  by  a   shee t   o f   p a p er  o nl y  (se e   F i g u re  9   a   ( i ) ).  N e verthe l e ss,   t h e   w ave f orm s   f orm e d  ar e  n o t  i n   des i red  s h ape   as  t he   t h i ck ne ss  o f   pa per  is  i nc rea s i n g.   B e s i d es,   t he   o utp u t  v o lta ge   i s  a l s o   i n  d e si r e d  val u e   (mo r e   t h a n   4 0V)  wh en   b e i ng  se p a rat e d  by   a   s h e et   o f   p a pe r  o n l y .  A s   t he   t hi ck ness   i s   inc r ea si n g ,   t h e  v o l t a g e   dro p  is a l so  g et tin g  hig h e r .   Bes i de s,  t h e   c om pl e t e   m e a s ur em ent  o f   t he   o u t pu t  v o l t a g e   o v er  d i sta n ce   f or  c op per   i s   a s  sh ow n  i n   F i gure   1 0 . The  line   gra p h s h o w s a n  exp o n e n tia l de cre a se w it h d i sta n ce,  in w h ic h as the  d i s ta nce   is incr e a s i ng,  t h e   out put  v olt a g e  i s g e t t i n g   lo wer.           F i gur e 1 0 .   Exp one n tia l de cre a s e  of ou t pu t v o l t a ge o ve r dis t a n ce  f or  co p per   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Ef fi c i e n cy  com par is o n  of c a p a c i t i ve  w i re l e s s   po we r tr ansf e r  f o r  d i f f ere n t  m a t e r i als ( F . K.  A.  Rahm an)   20 7 F r om F i gur e 1 0  i t   ca n be clar i f i e d  t hat the   i n itia l v o lta ge  re a di n g  of 49V  h a s  dec rea s ed t r e me ndo usl y   as  t he   d is tance   is  l a r ger,   h e n ce   t he  l o w est  ou t p u t   v o l t a g e   r esu l t ed  f or  10  she e t s  of  p a p ers  w h ic h  i s   a rou n d   23V .  Thu s ,  th e   results  f orme d  b y   u sin g   c op pe r  as  t he  c a p ac it i v e   p la te s  ar e  re l i a b le   a s  power  c an  s t i l l   b e   trans f e rre d w i re l e ssly  eve n   t h e  gap  d ista nc e  i s   g e tti ng h i gh er .        4.2.   Z inc materia l  as  coup lin g p l at e  The   se c o n d   m ateria l  w h ic h  h a s  bee n   u se d  in  t he  e x p e r im e n ta l  w o r k  is  z inc .   S a m e   as  c oppe r,  z i n c   i s   c h o s e n  b e c a u s e  o f   i t s  a v a i l a b i l i t y   i n  t h e  m a r k e t   i n  m e t a l  s h e e t   f or m,   a nd   t he  p osit io n   in  t he  p e r i o d i c   ta b l e  of  elem en ts.  Zinc   i s  l o ca te d   in  G roup  12  w h ic h  ha s  low e r  me tal  str e n g t h  y e t   c o mpa r ab le  t o  c o ppe r.  T he   r esul t s   of  o u t p u t  vo l ta ge  p ro duce d   b y z i nc  ca p aci t i ve pla t e s ar e ta bula t e d in Table 4.      Ta ble   4.  O utp u t   v o lta g e  f or Zi n c  up t o  te n   s he ets of pa p e r   Sh ee t   of  p aper   1  2  3  4  5  6  7  8  9  10   O u tpu t  vol t a ge ,   V ou t  (V )   47   4 4   42. 2   40   3 6   35   3 2   31   30  27       B y   r e f err i ng  T a ble   4,  i t  ca n  b e   s een  t hat  t h e   ou t p ut   v ol ta ge   o f   z i n c  is  d ecr easi ng  c o ns iste n t l y   a s  t h e   shee ts  o f  paper   is  i n c rea s i n g.   M or e over,   s e r i e s  of  d ia gram s  i n   F i g u r e   1 1  a r e  the  e xpe r i me nt a l   r es ults  i n   ter m s  of  t he  ZV S  condi t i on  an d  the   ou t p u t   v olta ge  for z i n c   as  t he  c ap ac it i v e  pl a t e s .       (i) 1  sheet  o f A4  p ape r      ( i i )  5 she ets o f   A 4 pape r      (iii)  10 shee t s   o f A 4   p a p e r      (a )  ZV S  cond itio n   (b)   O u tpu t  v ol ta ge     F i gure  1 1 . S e r i e s of  d ia gram s in d i ca ti n g  the  o u t c o me s of  C P T  sy stem  usin g  zinc  as  t he  ca p ac it iv e pla t e s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :    200  –   21 2  20 8 F i gure  1 1   i ,   ii,   a nd  ii i  ( a )  show   t he  Z V S   c on d i t i on  for   1,   5 ,  a nd  1 0   s he ets  o f   p a p er  r e s pec t i v e l y.   Wh i l e  F i g u r e   12  i,   i i ,   a n d   i i i   (b)   show   t he  o u t pu t   vo ltage   f or  the   ex pe ri me nt .   By  r e f er r i n g   t o  F i g u re  11,  t h e   perfec t   d es ired  waveform s  ar e  a ch ie ve d b y  F igure 1 1  (i) w hic h  i n d i ca t e s t h e z e ro- v olta g e -sw i t c h i ng c o nd i tio n  and   t h e  o u tp ut   v olta ge   f or  o ne  s heet   o f  pa per .   A s  t h e   d i sta n ce   is  i ncre asi n g ,   t he   o ut p u t   v o lta ge   b e c o m i n g   un des i rab l e  e v e n   t he   r e a d i n g   c a n  s t i l l   be   r ecor d e d ,  as  t he   Z V S   is  n o t   a chie ve d.  A s  m e nt i one d  i n   p re vio u s   sect io n,  Z V S   i s  the  m o s t   i m por tan t   p ro per t y  o f   c lass  E  si nce   i t   d e t erm i nes  t h e  ef fi cienc y   o f  t h e  sys t em .  Be s i de s,  F i gur e  12  sh ow s  t h e  c o m p le te  m e a surem e nt  o f  t h e   o u t p u t   voltage  o ver  distance  for  zi nc  a s  the  ca paci t i ve  pla t e s.  The  gra ph   s how s a  line a r  dec r ea se  of  ou tput  vo l t a g e  wit h i n c r ea sin g   di st an c e .             F i gur e 1 2 .   Lin e a r  de c re ase  of out p u t v o lta ge   over  di s t anc e  f or  zi n c       F r om   F i gur e  12,   i t  c a n   b e   show n  t h a t   t h e   i n itia l  vo l t a g e  rea d in g  o f   a rou nd  47V   h as  d e c re ased   line a rl y  a s   t he   d i s ta nce  i s   l ar ger.   T he  l ow e s t   out pu t  vo l t a g e  r esul t e d  for  10   s h e e t s  o f   p a p er  w hi c h   i s  arou n d   26V.  Ba sed   o n   t he   g ra ph  ev en  it  i s   l i n ear ly  d ec rea s e ,   t h e   r ate  of  d ecr e m ent  is  not   a s   sm oo t h   a s  s h ow n  b y   grap h  o f   c o p p e r   in  F ig ure   1 0 .   O n e  of  t he   f ac t o rs  o f  t h i s   p he nom en o n   i s  be ca use  o f   t he   p o s i tio n  o f   z i n c  w h ic h  is  i n  G r ou p  1 2   o f  pe ri odic   tab l e  of  e l e me n t s.   T he   e lem e n t s   in   t h i s  gro u p   ha ve  w ea ker  m e tal   ch ar acte r ist i cs  a s   com p are d  t o e l e m e n ts  i n G r oup  1 1  w hic h   r epre sen t s t h e po si tio n  of c o ppe r.    4.3.   Al u miniu m  mat erial as  coup li n g  p l a t e   A m ong  t h o s e   thre e  m a ter i a l s  use d ,   alumi n i u m  is  cate gor i z e d   a s  p o o r  m e t a l  e l e m e n t  a n d   i s   a v a i l a b l e   in  G rou p   1 3  i n   t he  p eri o d i c   ta ble .   T hi s  me ans  t h at  t he   m etal  c h ara c te rist ic  s h o w n   b y   al um i n i u m   is  t h e   w e a k est   a m on g  a l l .   B es ide s   t he   a vai l a b i l i t y  in   t he  m ark e t  in  t e rm s  o f   s hee t   f orm ,   t hi s  is  t he   r ea son   o f   c h oo sin g   a l u m i n iu m  as  i t   i s   c o m p a ra bl e   t o   z in c   an d  c oppe r.  A ft e r  d o n e   t h e   s a m e   p r o ced u r e   a s   c oppe r  a n d   zinc,   ou t p u t   v o l ta ge y ie ld  f ro m   the  exper i m e nt  i s  t a b u l a t e d  a s  in Table  5.       Ta bl e   5 .  Ou t put  v olt a g e  of   al umi n iu m u p  to   10  sh eet s   o f  p ape r   S h e e t   o f   p a p e r   1   2  3  4   5   6   7  8  9  1 0   Output   v o l ta ge ,  V out   ( V )   45. 8  43   3 9   36   3 5   33   3 0   25   2 3   21       The   o u t p ut  v o l t a ge s  of  a lum i nium   C P T   s ys tem   ke e p   l e s se nin g   f rom   45. 8V   o f  o n e   s h e e t   o f  pa per ,   un til   21V   f or  1 0   s h eets   of   p ape r   a s  s h ow n   i n   T a b l e   5 .  T h i s   i nd i re ct ly   t ell s   u s  t h at   t he   o utp u t   pow e r   i s  a l s o   kee p   d ecl i n in g   from   one   s hee t   t o  ten   s h ee t s   o f   pa per .   M ore over,   s e r i e s  of  d i a g r a m s  in   F ig u r e  13   e xp l a in s   i n   deta i l s re gardi ng t h e  perf orm a nce   of  t h e  sys tem   in ter ms  o f ZV S  c ond i t i o n a n d  o u t p u t   vol ta ge .  F i gure 1 3  i, i i,  a nd iii (a)   sho w n  the ZV S   cond i tio n o f  the  sys t e m ,   w hile Fig ure   1 3  i ,   ii, and ii i (b)   a r e   the   o u t p u t  vo l t a ge  o f   t h e  s y s t e m .   F r om  F igu r e  13,   F i gure  1 3 i   ( a )  a n d   (b)  i n d i ca te   t he   i de al  s i t ua tio n  o f   Z V S   con d i t i on   a nd   t he   o u t p u t   v olt a ge   o f  the   syst e m .   A s   t he  g a p   d i s t a n ce  is  i nc rea s ing,   t he  o u t c o m e s  c h a n ged   t o   n o n - id e a l   c o ndi tio ns.  F r o m   t he se ,  a u tho r s  are   c e r t a i n   a bo ut  t h e   r esu lts  w h i ch   a re   a l i gne d   w i t h   t he  t he or y  of  class  E  CPT  sys t em   i n  w h ic h  t h e  o u t p u t   pow er  o f  a   sys t em   w ill  b e  w o rseni ng  if  t he  Z V S   c ond iti on   i s  no t   ac hi e v e.  B es id es,   Figure   14   s hows  t h e  c o mple te  m ea surem e nt  o f  t h e   o u t p u t   v olta ge   o ver  dis t a n ce   f or   alum in ium   as  t he  c apac i t i v e  p l a t e s  in gr ap h.  T he gr a p h  sh o w s a  li near  de c re ase  by   d ista nc e.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       Ef fi c i e n cy  com par is o n  of c a p a c i t i ve  w i re l e s s   po we r tr ansf e r  f o r  d i f f ere n t  m a t e r i als ( F . K.  A.  Rahm an)   20 9 (i)  1 shee t   of  A 4 pape r      (ii )  5 sheet of   A4 paper      (iii)  10 shee t of  A 4 pa p e r     (a )  ZV S  cond itio n   ( b ) O u tpu t  v ol t a ge     Fi g u r e   13 . Se ri es o f   d i ag ra ms  i ndi c a t i ng  t h e   o ut c o mes o f  CP T  sy stem  using alum i nium  as     t h e c a p aci ti v e  p l a t e s          F i gure   1 4 .   Lin ear  de c re ase  of out p u t v o lta ge  ove r dis t ance  f or  al u m in i u m      The   i n i t ia l o u t pu t vo l t age re a d i ng o f  4 5.5V , as show n   i n  F igur e  1 4,  has c o n t i nu o u s li nea r  de c re ase as  the   di s t a n c e   i s   incre a se d,   w h i ch  r e s ul te d  lo w e r  ou tp u t   v o l t a ge   resu l t ed   f or  1 0  she e t   o f  pa pers  w hic h   i s  arou n d   21V .  S a m e   a s  z i nc ,  the   gra p h   li ne  o f  th is  a l u mi ni um  i s   not   a s  s moo t h  a s   r esu lte d   f r om  c op per   b e c a use  alum in ium   is cla ss ifie d  un der  po or m etal  cat egor y in t he  p e r io d ic ta b le of   elem ents [25] .    4.4.   Mater ia l   comp ar ison  f or  b e t ter imp l e m en tation  o f CPT   circ uit  In   a   n ut sh el l ,   b ase d   o n   t h e  out c o me s  o f   t h e   e x p eri m en t ,   i t   ca n   be  c o n c l u d e d  tha t   a ll  of  t he  m ateria l s   use d   i n the   e x p e rim e nts prod u c e d   s im ilar   r e sults. H o w e ver,   w he n   b ei n g  co m pa red in de t a i l s , the l i ne gra ph of  cop p er   w h i c h   s how s  a n   e xp o n en t i a l   d e c re ase  is   m or e  re lia ble   tha n  l i ne   g ra phs  m ad e   by   z i n c  a n d  a l um i n i u m .   Th is is a l ig ne d   w i t h  t he  p os i t i on of ea c h  ma t e r ial i n   t he  per io di c   t a bl e   o f   e l e men t s   in   w hi ch  c opp e r  a n d   zi n c  i s  ca t e g o rize d  un der   tra n s iti o n   m e t a l s  w h i l st  a lum i nium   i s  p l ace d  u nde r  t h e   po or  m e t als  c a teg o ry.   S i nce   c o p p er   is  p lac e d   i n  G r ou p  11  a nd  z i n c   i s  i n   G r o u p   1 2  o f   t h e   p erio d i c  t a b l e ,  cop p e r   s hows  be t t er  m etal  c har a c t e r ist i cs  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.