انواع انتقال برق بیسیم (تکنولوژی شارژ وایرلس)

هر سیستم الکترونیکی یا هر دستگاهی برای کار کردن به برق نیاز دارد، خواه از منبع تغذیه AC دیافراگم باشد یا باتری. این توان الکتریکی را نمی توان بی نهایت در هر دستگاه شارژی مانند باتری، کندانسور یا ابر خازن ذخیره کرد. بنابراین هر دستگاه قابل حملی مانند لپ تاپ یا تلفن همراه برای شارژ باتری به طور مرتب به خطوط برق متصل است.

به طور معمول از کابل های برقی برای اتصال این دستگاه های قابل شارژ مانند تلفن های هوشمند، تبلت ها، گوشی ها، بلندگو های بلوتوث و غیره به آداپتور های AC DC استفاده می شود. استفاده از کابل های رسانای الکترونیکی برای انتقال نیرو یا داده ها بین دو سیستم، اساسی ترین و محبوب ترین راه از زمان کشف خود برق است و مردم تاکنون از استفاده از کابل های الکتریکی راضی هستند اما با پیشرفت تکنولوژی، ایمنی انسان و خواست انسان برای رسیدن به زیبایی منجر به مفاهیم انتقال بی سیم برق (WPT) یا انتقال انرژی بی سیم (WET) به تصویر می شود که مدت هاست در تاریخ از بین رفته است. در برخی از مقاله های قبلی ما، انتقال قدرت بی سیم را به طور مفصل توضیح داده ایم و همچنین یک مدار برای انتقال بی سیم برق برای تابش LED ایجاد کرده ایم.

اولین برنامه آزمایشی قابل توجه برای انتقال برق بی سیم (WPT) در اوایل دهه 90 توسط مخترع نیکولا تسلا انجام شد. در طول آزمایش ها، برق با استفاده از اتصال القایی و خازنی با استفاده از ترانسفورماتور تشدید کننده فرکانس رادیویی جرقه ای، که امروزه سیم پیچ های تسلا نامیده می شود، منتقل می شود. اگرچه این آزمایشات تا حدی موفقیت آمیز هستند، اما کارآمد نیستند و نیاز به سرمایه گذاری بالایی دارند. بنابراین، بعدها این آزمایشات کنار گذاشته می شوند و مطالعه فناوری سال ها راکد بود. ما همچنین یک سیم پیچ مینی تسلا ساخته ایم تا مفهوم سیم پیچ های تسلا را نشان دهد.

هرچند در حال حاضر هم هیچ روش موثری برای تحویل نیروی بالا به صورت بی سیم وجود ندارد، می توان با پیشرفت های فن آوری موجود مدار را برای انتقال نیروی کم به صورت موثری بین دو سیستم طراحی کرد. شارژرهای بی سیم بر اساس این مدار تازه توسعه یافته طراحی شده اند که آن را قادر می سازد برق را به تلفن های هوشمند و سایر دستگاه های الکترونیکی کوچک به صورت بی سیم منتقل کند.

فناوری شارژ بی سیم در شارژر وایرلس

از زمان رایج شدن مفهوم انتقال برق بی سیم، دانشمندان و مهندسان روش های مختلفی را برای تحقق این مفهوم ارائه دادند. اگرچه بیشتر این آزمایشات منجر به شکست یا نتایج غیر عملی شد، اما تعداد کمی از این آزمایشات نتایج رضایت بخشی را به همراه داشت. این روش های آزمایش شده و کار برای دستیابی به انتقال برق بی سیم مزایا، معایب و ویژگی های خاص خود را دارد. در میان این روش های مختلف، فقط یک زوج در طراحی شارژرهای بی سیم استفاده می شود. در حالی که سایر روش ها دارای حوزه کاربرد و مزایای خاص خود هستند.

اکنون برای درک بهتر، این روش ها بر اساس فاصله انتقال، حداکثر توان و روش استفاده شده برای دستیابی به انتقال قدرت طبقه بندی می شوند. در شکل زیر می توان روش های مختلفی را که برای دستیابی به فناوری انتقال برق بی سیم و طبقه بندی آن ها استفاده می شود، مشاهده کرد.

• اولین و مهمترین طبقه بندی بر اساس امکان انتقال قدرت است. در روش های آزمایش شده، برخی قادر به انتقال بی سیم نیرو به بارهایی با فاصله زیاد هستند در حالی که برخی دیگر فقط می توانند بارهای چند سانتی متری منبع را تحویل دهند. بنابراین تقسیم اول براساس این است که آیا روش Near Field یا Far Field باشد.
• تفاوت در قابلیت فاصله بر اساس نوع پدیده ای است که با استفاده از روش های مختلف برای دستیابی به انتقال برق بی سیم استفاده می شود. به عنوان مثال، اگر محیط مورد استفاده برای انتقال نیرو القایی الکترو مغناطیسی باشد، حداکثر فاصله نمی تواند بیشتر از 5 سانتی متر باشد. دلیل این امر این است که با افزایش فاصله بین منبع و بار که منجر به اتلاف توان غیرقابل قبولی می شود، افت شار مغناطیسی به طور تصاعدی افزایش می یابد. از طرف دیگر، اگر محیط مورد استفاده برای انتقال نیرو، تابش مغناطیسی الکترو مغناطیسی باشد، حداکثر فاصله می تواند تا چند متر بالاتر برود. دلیل این امر این است که EMR می تواند به یک نقطه کانونی‌ای متصل شود که در چند متری از منبع فاصله دارد. همچنین، روش هایی که از EMR به عنوان واسطه ای برای تأمین نیرو استفاده می کنند، در مقایسه با سایر روش ها، کارایی بالاتری دارند.
• در بسیاری از جهات ذکر شده در بالا، برخی از آن ها محبوبیت بیشتری نسبت به روش های دیگر دارند، در ادامه روش های محبوب مورد استفاده گسترده مورد بحث قرار می گیرند.

دو روش محبوب برای انتقال قدرت بی سیم وجود دارد که از

تابش مغناطیسی الکترو به عنوان یک قدرت مایکروویو متوسط   و لیزر / نور استفاده می کنند.

انتقال برق بی سیم مایکروویو

همانطور که نامش خود را در این روش متمایز می کند، از طیف مایکروویو EMR برای انتقال نیرو به بار استفاده خواهد کرد. در ابتدا، فرستنده برق را از یک خروجی یا هر منبع تغذیه پایدار دیگر می گیرد و سپس این برق AC را تا حد لازم تنظیم می کند. پس از آن، برق منتقل شده با مصرف این منبع تغذیه تنظیم شده، مایکروویو تولید می کند. مایکروویو بدون هیچ گونه وقفه ای برای رسیدن به گیرنده یا بار از طریق هوا عبور می کند. گیرنده به دستگاه های مناسبی برای دریافت این تابش مایکروویو و تبدیل آن به انرژی الکتریکی مجهز خواهد شد. این نیروی الکتریکی تبدیل شده مستقیماً با میزان تابش مایکروویو به گیرنده، متناسب است و از این رو انتقال برق بی سیم با استفاده از تابش مایکروویو حاصل می شود.

هر شخصی که با الکترونیک و نیروی الکتریکی سر و کار دارد باید با مفهومی به نام تولید انرژی خورشیدی روبرو شده باشد و اگر درست بخاطر داشته باشید مفهوم تولید انرژی خورشیدی چیزی جز استفاده از تابش الکترومغناطیسی خورشید برای تولید برق نیست. این فرایند تبدیل می تواند بر اساس سیستم های پنل های خورشیدی، گرمایش خورشیدی یا سایر موارد باشد و به راحتی می توان با استفاده از پنل های خورشیدی یک شارژر خورشیدی ساخت. اما مسئله اصلی در اینجا انرژی منتقل شده توسط خورشید به زمین به شکل تابش الکترو مغناطیسی و به طور خاص در طیف مرئی است و انتقال انرژی در اینجا به صورت بی سیم انجام می شود. از این رو مفهوم تولید برق خورشیدی خود یک مگا سیستم انتقال انرژی بی سیم است.

حال، اگر خورشید را با یک مولد EMR کوچکتر (یا به سادگی، یک منبع نور) جایگزین کنیم، می توانیم تابش تولید شده را به باری متمرکز کنیم که صدها متر از منبع نور فاصله دارد. هنگامی که این نور متمرکز به صفحه خورشیدی مدوله گیرنده (یا بار) رسید، انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که هدف اصلی تنظیم انتقال بی سیم هم همین است.

تا کنون، ما در مورد تکنیک ها یا روش هایی بحث کردیم که قادر به تأمین نیرو برای باری هستند که تا چند متر با منبع فاصله دارند. اگرچه این تکنیک ها قابلیت مسافتی دارند اما حجیم و پرهزینه هستند بنابراین برای طراحی شارژر موبایل مناسب نیستند. عملی ترین روش هایی که می توان برای طراحی شارژرهای بی سیم استفاده کرد عبارتند از: ‘نوع کوپلاژ القایی’ و ‘القای تشدید مغناطیسی’. این دو روشی است که از قانون القای الکترومغناطیسی فارادی به عنوان اصل و شار مغناطیسی به عنوان پدیده انتشار برای دستیابی به انتقال برق بی سیم استفاده می کنند.

انتقال برق بی سیم با استفاده از کوپلاژ القایی

تنظیمات استفاده شده در

کوپلاژ القایی بسیار مشابه آنچه است که برای ترانسفورماتور الکتریکی استفاده شده است. برای درک بهتر، بیایید به مدار کاربرد معمول روش انتقال بی سیم کوپلاژ القایی نگاه کنیم.

• در نمودار عملکردی فوق، ما دو بخش داریم که یکی تنظیم انتقال انرژی الکتریکی است و دیگری تنظیم گیرنده برق الکتریکی است.
• هر دو بخش از نظر الکتریکی با یکدیگر جدا شده و توسط عایقی به عرض چند سانتی متر از هم جدا شده اند. اگرچه هر دو بخش هیچگونه فعل و انفعال الکتریکی ندارند اما هنوز یک اتصال مغناطیسی بین آنها وجود دارد.
• منبع ولتاژ AC موجود در مدوله فرستنده برق کل سیستم را تأمین می کند.

کار با انتقال بی سیم از نوع اتصال القایی : از ابتدا، یک جریان جاری در سیم پیچ رسانا در مدوله فرستنده وجود دارد زیرا منبع ولتاژ AC به پایانه های انتهایی سیم پیچ متصل است. به دلیل وجود این جریان جاری، باید یک میدان مغناطیسی در اطراف رسانا های سیم پیچ ایجاد شود که محکم در اطراف هسته فریت پیچیده شده اند. به دلیل وجود یک محیط، تمام شار مغناطیسی سیم پیچ بر روی هسته فریت متمرکز می شود. این شار در امتداد محور هسته فریت حرکت می کند و همانطور که در شکل نشان داده شده است، به فضای آزاد خارج از مدوله انتقال خارج می شود.

حال، اگر مدوله گیرنده را به فرستنده نزدیک کنیم، در این صورت شار مغناطیسی ساطع شده توسط فرستنده سیم پیچ موجود در مدوله گیرنده را قطع می کند. از آنجا که شار تولید شده توسط مدوله فرستنده شار متغیری است، بنابراین یک EMF باید مطابق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی در رسانا وارد شود. بر اساس این تئوری، یک EMF نیز باید در سیم پیچ گیرنده که شار مغناطیسی تولید شده توسط فرستنده را تجربه می کند، القا شود. این ولتاژ ایجاد شده برای بدست آوردن ولتاژ DC مناسب که برای کنترل کننده سیستم بسیار لازم است، چراکه یکسو، فیلتر و تنظیم می شود.

در بعضی موارد،

هسته فریت نیز از بین می رود تا فرستنده و گیرنده فشرده و سبک شود. این برنامه را می توانید در جفت شارژر تلفن همراه بی سیم و تلفن هوشمند مشاهده کنید. همانطور که همه ما می دانیم در حال حاضر صنایع همپای هم برای تولید تلفن های هوشمند با کارایی بالا و سایر دستگاه های سبک، باریک و خنک تر رقابت می کنند. طراحان به معنای واقعی کلمه برای دستیابی به این ویژگی ها بدون به خطر انداختن عملکرد کابوس می بینند، بنابراین بزرگ جلوه دادن دستگاه فقط به دلیل انتقال قدرت بی سیم غیر قابل قبول است. بنابراین طراحان و مهندسین، مدوله های باریک و سبک تری را می توانند در تلفن های هوشمند و تبلت ها جای دهند.

در اینجا می توانید ساختار داخلی جدیدترین شارژر بی سیم را مشاهده کنید.

تلفن هوشمند با قابلیت برق بی سیم نیز دارای یک سیم پیچ مشابه برای امکان القای الکترومغناطیسی است. در شکل زیر می توانید نحوه اتصال سیم پیچ باریک در انتهای پایینی تلفن هوشمند، نزدیک به باتری را مشاهده کنید. شما می توانید ببینید که مهندسان چگونه این شارژر بی سیم را بسیار باریک و بدون هیچ گونه خدشه در عملکرد آن طراحی کرده اند. کارکرد این تنظیم مشابه موردی است که در بالا مورد بحث قرار گرفت با این تفاوت که در مرکز سیم پیچ هسته فریتی ندارد.

اگرچه این روش انتقال نیرو از طریق القای الکترومغناطیسی آسان به نظر می رسد اما با روش کارآمد انتقال نیرو از طریق کابل قابل مقایسه نیست.

انتقال قدرت بی سیم براساس القا مغناطیسی

القا تشدید مغناطیسی نوعی

کوپلاژ القایی است که در آن نیرو توسط میدان های مغناطیسی بین دو مدار تشدید (مدارهای تنظیم شده)، یکی در فرستنده و دیگری در گیرنده منتقل می شود. به همین دلیل، تنظیم مدار القای تشدید مغناطیسی باید بسیار شبیه به مدار اتصال القایی باشد که قبلاً در مورد آن صحبت کردیم.

مشاهده می کنید که در این شکل، به جز خازن های سری، کل مدار مشابه مورد قبلی است.

کارکرد : کارکرد این مدل نیز بسیار شبیه به مورد قبلی است به جز اینکه در اینجا مدارهای موجود در فرستنده و گیرنده تنظیم می شوند تا در فرکانس تشدید کار کنند. خازن ها به طور سری در هر دو سیم پیچ متصل می شوند تا به این اثر تشدید برسند.

همانطور که همه ما می دانیم یک خازن به صورت سری با یک انداکتور یک مدار L-C  سری را شکل می دهد همانطور که در شکل نشان داده شده است و مقدار فرکانسی که این مدار با

رزونانس کار می کند را می توان بدین صورت ارائه داد :

در اینجا L = مقدار انداکتور و C = مقدار خازن است.

با استفاده از همان فرمول، مقدار فرکانس تشدید را برای مدار فرستنده قدرت محاسبه می کنیم و فرکانس منبع تغذیه AC را به مقدار محاسبه شده مطابقت می دهیم.

پس از تنظیم فرکانس منبع، مدار فرستنده به همراه مدار گیرنده در فرکانس تشدید کار می کنند. پس از این، همانطور که در مورد قبلی بحث کردیم، طبق قانون القای فارادی، باید یک EMF در مدار گیرنده القا شود و این EMF القایی یکسو می شود، فیلتر می شود و تنظیم می شود تا یک ولتاژ DC مناسب بدست آید که در شکل نشان داده شده است.

تاکنون، ما در مورد تکنیک های مختلفی که می توانند برای انتقال قدرت بی سیم همراه با مدارهای کاربردی معمول آن ها استفاده شوند، بحث کردیم. و ما از این روش ها برای ساخت همه مدارهای سیستم های انتقال قدرت بی سیم مانند شارژر بی سیم، سیستم شارژ بی سیم وسیله نقلیه الکتریکی بی سیم، انتقال قدرت بی سیم برای هواپیماهای بدون سرنشین، هواپیماها و غیره استفاده می کنیم.

استاندارد های انتقال برق بی سیم

اکنون با توسعه هر شرکت برای تولیدات و ایستگاه های شارژ خود، نیاز به استانداردهای مشترک بین همه توسعه دهندگان وجود دارد تا مصرف کننده بهترین گزینه را در میان این حجم از انتخاب ها انتخاب کند. بنابراین تعدادی از استاندارد ها توسط کلیه صنایعی که در حال توسعه سیستم های انتقال قدرت بی سیم هستند، رعایت می شوند.

استانداردهای مختلفی که برای توسعه دستگاه های انتقال برق بی سیم مانند شارژر بی سیم استفاده می شود

استانداردهای ‘Qi’ – توسط کنسرسیوم برق بی سیم

• فن آوری-القایی، فرکانس پایین-تشدید
• کم مصرف-5 وات، توان متوسط ​​15 وات، لوازم آشپزخانه بی سیم Qi از 100 وات تا 2.4 کیلو وات
• دامنه فرکانس 277 – 357 کیلوهرتز
• محصولات – فقط 2 اما 1000000 واحد مات قدرت در سطح جهان توزیع می شود

مزایای شارژر بی سیم

• شارژر بی سیم برای شارژ دستگاه های خانگی مانند تلفن های هوشمند، لپ تاپ، iPod، نوت بوک، گوشی و غیره بسیار مفید است.
• این یک روش راحت، ایمن و موثر برای انتقال نیرو بدون هیچ رسانه ای را فراهم می کند.
• محیط زیست _ دوستانه : به انسان یا هر موجود زنده آسیب نمی رساند.
• می تواند برای شارژ ایمپلنت های پزشکی مورد استفاده قرار گیرد که منجر به بهبود کیفیت زندگی و کاهش خطر ابتلا به عفونت می شود.
• دیگر نیازی به نگرانی معمول در مورد فرسودگی و شل بودن جک برق نیست.
• با استفاده از شارژرهای بی سیم، دست و پنجه نرم کردن نسبت به جهت گیری کابل برق به پایان رسیده است.

معایب شارژر بی سیم

• کارایی کمتر و اتلاف انرژی بیشتر.
• هزینه های بیشتر از شارژر کابل.
• تعمیر خطا کار دشواری است.
• برای تحویل قدرت بالا مناسب نیست.
• اتلاف انرژی با بار افزایش می یابد.

منبع:

آیرنکس

دیجی خرید