סוגים שונים של טכנולוגיות העברת חשמל אלחוטיות ועבודתן

כל מערכת או מכשיר אלקטרוני זקוקים לכוח חשמלי בכדי להפעיל אותו, בין אם זה מהספק החשמלי המוקף שלך או מסוללה. לא ניתן לאחסן את האנרגיה החשמלית אינסופית בכל מכשיר נטען כמו סוללות, קבלים או קבלים-על. לכן יש צורך לחבר כל מכשירים ניידים כמו מחשבים ניידים או טלפונים ניידים לקווי חשמל כדי לטעון את הסוללות באופן קבוע.

בדרך כלל משתמשים בכבלים חשמליים לחיבור התקנים נטענים אלה כמו סמארטפונים, טאבלטים, אוזניות, רמקולי Bluetooth וכו 'למתאמי AC-DC. שימוש בכבלי מוליכים אלקטרוניים להעברת חשמל או נתונים בין שתי מערכות היא הדרך הבסיסית והפופולארית ביותר מאז גילוי החשמל עצמו. ואנשים שמחים להשתמש בכבלים חשמליים עד עכשיו, אך עם התקדמות הטכנולוגיה, בטיחות האדם ורעב האנושות לשלמות ביופיים מובילים למושגים העברת כוח אלחוטי (WPT) או העברת אנרגיה אלחוטית (WET) לתמונה שאבדה מזמן בהיסטוריה. בחלק מהמאמרים הקודמים הסברנו בפירוט על העברת חשמל אלחוטית ובנינו גם מעגל להעברה אלחוטית של הכוח כדי להבהיר נורית LED.

היישום הניסיוני הניכר הראשון להעברת כוח אלחוטי (WPT) נעשה בתחילת שנות ה -90 של המאה הקודמת על ידי הממציא ניקולה טסלה. במהלך הניסויים, חשמל מועבר על ידי צימוד אינדוקטיבי וקיבולי באמצעות שנאי תהודה בתדר רדיו הנרגשים ניצוץ, הנקראים כיום סלילי טסלה. ניסויים אלה אמנם מוצלחים בחלקם, אך אינם יעילים ודורשים השקעה גבוהה. לכן, בהמשך, ניסויים אלה נגזלו והמחקר הטכנולוגי קפא במשך שנים רבות. בנינו גם סליל מיני טסלה כדי להדגים את הרעיון של סלילי טסלה.

למרות שכעת אין דרך יעילה לספק כוח גבוה באופן אלחוטי, ניתן לתכנן מעגל עם ההתקדמות הטכנולוגית הנוכחית להעברת הספק נמוך בין שתי מערכות ביעילות. והמטענים האלחוטיים מתוכננים על בסיס מעגל זה שפותח זה מאפשר לו לספק חשמל לסמארטפונים ולמכשירים אלקטרוניים קטנים אחרים באופן אלחוטי.

טכנולוגיית טעינה אלחוטית שונה המשמשת במטען אלחוטי

מאז שמושג העברת הכוח האלחוטי הפך פופולרי, מדענים ומהנדסים העלו דרכים שונות למימוש תפיסה זו. למרות שרוב הניסויים הללו הובילו לכישלונות או לתוצאות לא מעשיות, אך מעט מהניסויים הללו אכן הניבו תוצאות מספקות. לדרכים נבדקות ועבודות אלה להשגת העברת חשמל אלחוטית יש יתרונות, חסרונות ותכונות משלהם. בין השיטות השונות הללו, משתמשים רק בזוג בעיצוב מטענים אלחוטיים. בעוד שלשיטות אחרות יש אזור יישומים ויתרונות משלהם.

עכשיו להבנה טובה יותר, שיטות אלה מסווגות על בסיס מרחק ההעברה, ההספק המרבי והשיטה המשמשת להשגת העברת כוח. באיור שלהלן אנו יכולים לראות דרכים שונות המשמשות להשגת טכנולוגיית העברת חשמל אלחוטית וסיווגם.

כאן,

• הסיווג הראשון והחשוב ביותר מבוסס על מידת העברת הכוח. בשיטות הניסוי, חלקן מסוגלות להעביר כוח באופן אלחוטי לעומסים במרחק גדול ואילו אחרות יכולות לספק כוח רק לעומסים במרחק סנטימטרים ספורים בלבד מהמקור. לכן החלוקה הראשונה מבוססת על השיטה של ​​שדה קרוב או שדה רחוק.
• ההבדל ביכולת המרחק מבוסס על סוג התופעה בה משתמשים שיטות שונות להשגת העברת חשמל אלחוטית. לדוגמא, אם המדיום בו משתמשים השיטה להעברת כוח הוא אינדוקציה אלקטרו-מגנטית, הרי שהמרחק המרבי לא יכול להיות גבוה מ- 5 ס"מ. הסיבה לכך היא שאובדן השטף המגנטי גדל באופן אקספוננציאלי עם עליית המרחק בין המקור לעומס המוביל להפסדי כוח בלתי מקובלים. מצד שני, אם המדיום בו משתמשים השיטה להעברת כוח הוא קרינה אלקטרו מגנטיתואז המרחק המרבי יכול להגיע לכמה מטרים בודדים. הסיבה לכך היא ש- EMR יכול להיות מרוכז למוקד שנמצא במרחק מטרים מהמקור. כמו כן, לשיטות המשתמשות ב- EMR כמדיום להעברת כוח יש יעילות גבוהה יותר בהשוואה לאחרים.
• בדרכים הרבות שהוזכרו לעיל, חלקן פופולריות יותר מאחרות והשיטות הפופולאריות הנהוגות בהרחבה נדונות להלן.

ישנן שתי שיטות פופולריות להעברת כוח אלחוטי המשתמשות בקרינה אלקטרו מגנטית כמדיום - כוח מיקרוגל וכוח לייזר / אור.

העברת חשמל אלחוטית במיקרוגל

כפי שהשם עצמו מסיר אותו בשיטה זו הוא ישתמש בספקטרום המיקרוגל של EMR ​​בכדי לספק כוח לטעון. ראשית, המשדר ישאוב חשמל משקע או מכל מקור כוח יציב אחר ואז יווסת את מתח ה- AC הזה לרמה הנדרשת. לאחר מכן, הכוח המועבר ייצר גלי מיקרו על ידי צריכת ספק כוח מוסדר זה. המיקרוגל עובר באוויר ללא הפרעה בכדי להגיע למקלט או לעומס. המקלט יצויד במכשירים מתאימים לקבלת קרינת מיקרוגל זו ולהמרתה לאנרגיה חשמלית. הספק חשמלי שהומר זה פרופורציונלי ישירות לכמות קרינת המיקרוגל המגיעה למקלט ולכן מושגת העברת כוח אלחוטית באמצעות קרינת מיקרוגל.

העברת חשמל אלחוטית לאור לייזר

כל אדם שעוסק באלקטרוניקה וכוח חשמלי היה צריך להיתקל במושג שנקרא ייצור חשמל סולארי. ואם אתה זוכר נכון המושג ייצור אנרגיה סולארית אינו אלא שימוש בקרינה אלקטרומגנטית של השמש לחשמל שנוצר. תהליך המרה זה יכול להתבסס על מערכות של פאנלים סולאריים, חימום סולארי או כל אחר וניתן לבנות מטען סולארי בקלות באמצעות פאנלים סולאריים. אולם נושא המפתח כאן הוא האנרגיה שמעבירה השמש לאדמה היא בצורה של קרינה אלקטרו מגנטית והיא נמצאת בספקטרום הגלוי והעברת האנרגיה לכאן נעשית באופן אלחוטי. מכאן הרעיון של ייצור חשמל סולארי הוא בעצמו מערכת העברת חשמל אלחוטית מגה.

כעת, אם נחליף את השמש בגנרטור EMR קטן יותר (או פשוט מקור אור), נוכל למקד את הקרינה הנוצרת לעומס המרוחק מאות מטרים ממקור האור. ברגע שאור ממוקד זה מגיע לפאנל הסולארי של מודול המקלט (או העומס), הוא ממיר את אנרגית האור לכוח חשמלי שזו המטרה המקורית של הגדרת העברת הכוח האלחוטית.

עד כה דנו בטכניקות או בשיטות המסוגלות לספק כוח לעומס המרוחקות מטרים ספורים מהמקור. למרות שלטכניקות אלו יכולת מרחק, הן מגושמות ויקרות ולכן אינן מתאימות לעיצוב מטען נייד. השיטות המעשיות ביותר בהן ניתן להשתמש בעיצוב מטענים אלחוטיים הן " סוג צימוד אינדוקטיבי " ו"אינדוקציה מגנטית לתהודה ". אלה שתי השיטות המשתמשות בחוק Faradays של אינדוקציה אלקטרומגנטית כעקרון ושטף מגנטי כתופעה מתפשטת להשגת העברת חשמל אלחוטית.

העברת כוח אלחוטית באמצעות צימוד אינדוקטיבי

ההתקנה המשמשת בצימוד אינדוקטיבי דומה מאוד לזו המשמשת לשנאי חשמל. להבנה טובה יותר, הבה נבחן את מעגל היישומים האופייני לשיטת העברת הספק אלחוטי אלחוטי.

• בתרשים הפונקציונאלי לעיל, יש לנו שני חלקים האחד הוא הגדרת העברת חשמל חשמלי, והשני הוא הגדרת מקלט הכוח החשמלי.
• שני החלקים מבודדים זה לזה חשמלית ומופרדים על ידי מבודד ברוחב של כמה סנטימטרים. למרות שבשני החלקים אין אינטראקציה חשמלית עדיין קיים צימוד מגנטי ביניהם.
• מקור מתח ה- AC הקיים במודול המשדר מספק חשמל לכל המערכת.

עבודה של סוג צימוד אינדוקטיבי שידור אלחוטי: מההתחלה, זרימת זרם בסליל המוליך קיימת במודול המשדר מכיוון שמקור מתח AC מחובר למסופי הקצה של הסליל. ובגלל זרימת זרם זו, יש ליצור שדה מגנטי סביב מוליכי הסליל אשר מתפתל היטב סביב ליבת פריט. בגלל נוכחותו של מדיום, כל השטף המגנטי של הסליל מתרכז בליבת הפריט. שטף זה נע לאורך ציר ליבת הפריט ונפלט לחלל הפנוי מחוץ למודול ההולכה, כפי שמוצג באיור.

כעת, אם אנו מקרבים את מודול המקלט ליד המשדר, אז השטף המגנטי הנפלט על ידי המשדר יחתוך את הסליל הקיים במודול המקלט. מכיוון ששטף שנוצר על ידי מודול המשדר הוא שטף משתנה, אזי יש להכניס EMF למוליך שהובא בתחומו על פי חוק Faradays של אינדוקציה אלקטרומגנטית. על בסיס תיאוריה זו יש להכניס גם EMF לסליל המקלט אשר חווה את השטף המגנטי שנוצר על ידי המשדר. מתח שנוצר זה יתוקן, יסונן ויוסדר כדי לקבל מתח DC תקין הנחוץ מאוד לבקר המערכת.

במקרים מסוימים, ליבת פריט מסולקת גם היא כדי להפוך את המשדר והמקלט לקומפקטי וקל יותר. אתה יכול לראות יישום זה במטען אלחוטי לטלפונים ניידים ובזוג סמארטפונים. כפי שכולנו מכירים תעשיות כיום מתחרות בצוואר לצוואר כדי לשחרר סמארטפונים בעלי ביצועים גבוהים ומכשירים אחרים קלים יותר, רזים ומצננים יותר. למעצבים ממש יש סיוטים בכדי להשיג תכונות אלה מבלי לפגוע בביצועים, ולכן הפיכת המכשיר למגושמת רק למען העברת חשמל אלחוטית אינה מקובלת. אז המעצבים וההנדסה מגיעים עם יותר מודולים קלים וקלילים יותר שניתן להתאים לסמארטפונים וטאבלטים.

כאן תוכלו לראות את הבנייה הפנימית של המטען האלחוטי האחרון.

הסמארטפון עם יכולת החשמל האלחוטית יהיה גם בעל סליל דומה כדי לאפשר את האינדוקציה האלקטרומגנטית. תוכלו לראות באיור שלהלן, כיצד סליל דק מחובר בקצה התחתון של הסמארטפון קרוב לסוללה. אתה יכול לראות איך מהנדסים תכננו את המטען האלחוטי הזה כל כך דק בלי להתפשר על הביצועים שלו. עבודתו של התקנה זו דומה למקרה שנדון לעיל, למעט שאין בו ליבת פריט במרכז הסיבוב.

אומנם דרך זו של העברת חשמל באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית נראית קלה אך אינה ניתנת להשוואה לשיטה יעילה להעברת חשמל דרך הכבל.

העברת כוח אלחוטית מבוססת אינדוקציה תהודה מגנטית

אינדוקציה של תהודה מגנטית היא סוג של צימוד אינדוקטיבי שבו הכוח מועבר על ידי שדות מגנטיים בין שני מעגלי תהודה (מעגלים מכוונים), אחד במשדר ואחד במקלט. מסיבה זו, ההתקנה של מעגל האינדוקציה התהודה המגנטית חייבת להיות דומה מאוד למעגל צימוד אינדוקטיבי עליו דנו קודם.

ניתן לראות באיור זה למעט נוכחותם של קבלים סדריים המעגל כולו דומה למקרה הקודם.

עבודה: העבודה של מודל זה דומה מאוד למקרה הקודם אלא שכאן המעגלים שנמצאים במשדר ובמקלט מכוונים לפעול בתדר התהודה. הקבלים מחוברים במיוחד בסדרה עם שני הסלילים בכדי להשיג אפקט מהדהד זה.

כפי שכולנו יודעים קבל בסדרה עם משרן יהווה מעגל LC סדרתי כפי שמוצג באיור. וניתן לתת את ערך התדר שבו מעגל זה יפעל בתהודה, F _r = 1/2 ᴫ (LC) ^1/2

כאן L = ערך המשרן ו- C = ערך הקבל.

על ידי שימוש באותה נוסחה נחשב את ערך תדר התהודה עבור מעגל משדר הכוח ונתאים את תדר מקור החשמל לאותו ערך מחושב.

לאחר התאמת תדר המקור, מעגל המשדר יחד עם מעגל המקלט יפעלו בתדר התהודה. לאחר מכן, יש להמריץ EMF במעגל המקלט על פי חוק ההשראה של Faradays כפי שדנו במקרה הקודם. ו- EMF המושרה הזה יתוקן, יסונן ויוסדר כדי לקבל מתח DC תקין כפי שמוצג באיור.

עד כה דנו בטכניקות שונות שניתן להשתמש בהן להעברת חשמל אלחוטי יחד עם מעגלי היישום האופייניים שלהם. ואנחנו משתמשים בשיטות אלה כדי לפתח מעגלים עבור כל מערכות העברת הכוח האלחוטית כמו מטען אלחוטי, מערכת טעינה לרכב חשמלי אלחוטי, העברת כוח אלחוטית למזל"טים, מטוסים וכו '.

תקני העברת חשמל אלחוטית

כעת, כשכל חברה מפתחת תחנות הפקה וטעינה משלה, יש צורך בסטנדרטים משותפים בקרב כל היזמים על מנת לגרום לצרכן לבחור את הטוב ביותר מבין אוקיינוס ​​הבחירות. אז כמה סטנדרטים אחריהם כל הענפים שעובדים על פיתוח מערכות העברת חשמל אלחוטיות.

סטנדרטים שונים המשמשים לפיתוח התקני העברת חשמל אלחוטיים כמו מטען אלחוטי:

תקני 'צ'י' - על ידי קונסורציום חשמל אלחוטי:

• טכנולוגיה - אינדוקטיבית, מהדהדת - בתדירות נמוכה
• הספק נמוך - 5 וולט, הספק בינוני - 15 וואט, מכשירי מטבח אלחוטי אלחוטי של Qi מ 100 וואט עד 2.4 קג"מ
• טווח תדרים - 110 - 205 קילוהרץ
• מוצרים - 500+ מוצרים ומשמשים ביותר מ 60 חברות סלולר

תקני 'PMA' - על ידי Power Matter Alliance:

• טכנולוגיה - אינדוקטיבית, מהדהדת - בתדירות גבוהה
• הספק מקסימאלי מ- 3.5W ל- 50W
• טווח תדרים - 277 - 357 קילוהרץ
• מוצרים - רק 2 אך 1,00,000 יחידות מחצלות כוח מופצות ברחבי העולם

יתרונות המטען האלחוטי

• המטען האלחוטי שימושי מאוד לטעינת מכשירים ביתיים כמו טלפון חכם, מחשב נייד, אייפוד, מחשב נייד, אוזניות וכו '.
• הוא מספק דרך נוחה, בטוחה ויעילה להעביר כוח ללא כל מדיום.
• ידידותי לסביבה - אינו פוגע או פוגע באדם או בכל יצור חי.
• בעזרתו ניתן לטעון שתלים רפואיים מה שמביא לשיפור באיכות החיים ומפחית את הסיכון לזיהום.
• אין צורך לדאוג כרגיל לבלאי של שקע החשמל.
• גישוש על כיוון כבל החשמל הסתיים עם שימוש במטענים אלחוטיים.

חסרונות המטען האלחוטי

• פחות יעילות ויותר אובדן כוח.
• עולה יותר ממטען הכבלים.
• תיקון התקלה הוא קשה.
• לא מתאים למשלוח הספק גבוה.
• הפסדי אנרגיה גדלים עם העומס.