Πώς λειτουργεί η ασύρματη μεταφορά ενέργειας

Η ασύρματη μεταφορά ισχύος είναι μια διαδικασία κατά την οποία η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται από ένα σύστημα σε άλλο σύστημα μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων χωρίς τη χρήση καλωδίων ή φυσικής επαφής.

Σε αυτήν την ανάρτηση συζητάμε για το πώς λειτουργεί η ασύρματη μεταφορά ισχύος ή τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω αέρα χωρίς τη χρήση καλωδίων.

Ίσως να έχετε ήδη συναντήσει αυτήν την τεχνολογία και μπορεί να έχετε περάσει πολλές σχετικές θεωρίες στο Ιντερνετ.

Παρόλο που το Διαδίκτυο μπορεί να είναι γεμάτο από τέτοια άρθρα που εξηγούν την έννοια με παραδείγματα και βίντεο, ο αναγνώστης συνήθως δεν καταλαβαίνει τη βασική αρχή που διέπει την τεχνολογία και τις μελλοντικές προοπτικές της.

Πώς λειτουργεί η ασύρματη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας

Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε περίπου να πάρουμε μια ιδέα σχετικά με το πώς συμβαίνει μια ασύρματη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος ή λειτουργεί ή αγωγιμότητα και γιατί η ιδέα είναι τόσο δύσκολο να εφαρμοστεί σε μεγάλες αποστάσεις.

Το πιο κοινό και κλασικό παράδειγμα ασύρματης μεταφοράς ενέργειας είναι η παλιά μας τεχνολογία ραδιοφώνου και τηλεόρασης που λειτουργεί στέλνοντας ηλεκτρικά κύματα (RF) από το ένα σημείο στο άλλο χωρίς καλώδια, για την προβλεπόμενη μεταφορά δεδομένων.

Η δυσκολία

Ωστόσο, το μειονέκτημα πίσω από αυτήν την τεχνολογία είναι ότι δεν είναι σε θέση να μεταφέρει τα κύματα με υψηλό ρεύμα έτσι ώστε η μεταδιδόμενη ισχύς να έχει νόημα και χρησιμοποιήσιμη από την πλευρά λήψης για την οδήγηση ενός δυνητικού ηλεκτρικού φορτίου.

Αυτό το πρόβλημα καθίσταται δύσκολο, καθώς η αντίσταση του αέρα θα μπορούσε να κυμαίνεται από εκατομμύρια μεγάλα Ohms και, συνεπώς, είναι εξαιρετικά δύσκολο να κοπεί.

Μια άλλη ταλαιπωρία που κάνει τη μεταφορά μεγάλων αποστάσεων ακόμη πιο δύσκολη είναι η σκοπιμότητα εστίασης της ισχύος προς τον προορισμό.

Εάν το μεταδιδόμενο ρεύμα επιτρέπεται να διασκορπιστεί σε ευρεία γωνία, ο δέκτης προορισμού ενδέχεται να μην είναι σε θέση να λάβει την απεσταλμένη ισχύ και θα μπορούσε ενδεχομένως να αποκτήσει μόνο ένα κλάσμα αυτού, καθιστώντας τη λειτουργία εξαιρετικά αναποτελεσματική.

Ωστόσο, η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μικρές αποστάσεις χωρίς καλώδια φαίνεται πολύ πιο εύκολη και έχει εφαρμοστεί με επιτυχία από πολλούς, απλώς και μόνο επειδή για μικρές αποστάσεις οι παραπάνω αναφερόμενοι περιορισμοί δεν γίνονται ποτέ πρόβλημα.

Για ασύρματη μεταφορά ισχύος μικρής απόστασης, η αντίσταση αέρα που αντιμετωπίζετε είναι πολύ μικρότερη, σε εύρος μερικών 1000 meg ohm (ή ακόμη μικρότερη ανάλογα με το επίπεδο εγγύτητας) και η μεταφορά καθίσταται εφικτή μάλλον αποτελεσματικά με την ενσωμάτωση υψηλού ρεύματος και υψηλή συχνότητα.

Απόκτηση βέλτιστου εύρους

Προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση από απόσταση σε τρέχον, η συχνότητα μετάδοσης γίνεται η πιο σημαντική παράμετρος στη λειτουργία.

Οι υψηλότερες συχνότητες επιτρέπουν την αποτελεσματικότερη κάλυψη μεγαλύτερων αποστάσεων, και ως εκ τούτου αυτό είναι ένα στοιχείο που πρέπει να ακολουθηθεί ενώ σχεδιάζεται μια ασύρματη συσκευή μεταφοράς ισχύος.

Μια άλλη παράμετρος που βοηθά τη μεταφορά πιο εύκολη είναι το επίπεδο τάσης, οι υψηλότερες τάσεις επιτρέπουν τη μείωση του ρεύματος και τη διατήρηση της συσκευής συμπαγής.

Τώρα ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε την ιδέα μέσω μιας απλής ρύθμισης κυκλώματος:

Η ρύθμιση κυκλώματος

Λίστα ανταλλακτικών

R1 = 10 ohm
L1 = 9-0-9 στροφές, δηλαδή 18 στροφές με κεντρική βρύση χρησιμοποιώντας 30 SWG σμάλτο χάλκινο σύρμα.
L2 = 18 στροφές χρησιμοποιώντας 30 SWG σμάλτο χάλκινο σύρμα.
T1 = 2N2222
D1 ---- D4 = 1N4007
C1 = 100uF / 25V
3V = 2 AAA 1.5V κελιά σε σειρά

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα απλό ασύρματο κύκλωμα μεταφοράς ισχύος που αποτελείται από το στάδιο του πομπού στα αριστερά και το στάδιο του δέκτη στη δεξιά πλευρά του σχεδιασμού.

Και τα δύο στάδια μπορούν να θεωρηθούν χωριστά με ένα σημαντικό κενό αέρα για την προβλεπόμενη αλλαγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Πως δουλεύει

Το στάδιο του πομπού ισχύος μοιάζει με ένα κύκλωμα ταλαντωτή που γίνεται μέσω ενός κυκλώματος δικτύου ανατροφοδότησης σε ένα τρανζίστορ NPN και έναν επαγωγέα.

Ναι, αυτό είναι σωστό, ο πομπός είναι πράγματι ένα στάδιο ταλαντωτή που λειτουργεί με τρόπο ώθησης-ώθησης για την πρόκληση ενός παλλόμενου ρεύματος υψηλής συχνότητας στο σχετικό πηνίο (L1).

Το επαγόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας αναπτύσσει αντίστοιχη ποσότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων γύρω από το πηνίο.

Όντας σε υψηλή συχνότητα, αυτό το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι σε θέση να σχιστεί μέσω του διακένου αέρα γύρω του και να φτάσει σε μια απόσταση που επιτρέπεται ανάλογα με την τρέχουσα βαθμολογία του.

Το στάδιο του δέκτη μπορεί να φανεί ότι αποτελείται μόνο από έναν συμπληρωματικό επαγωγέα L2 που μοιάζει πολύ με τον L1, ο οποίος έχει τον μοναδικό ρόλο να αποδεχθεί τα μεταδιδόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και να το μετατρέψει σε πιθανή διαφορά ή ηλεκτρισμό αν και σε χαμηλότερο επίπεδο ισχύος λόγω της εμπλεκόμενης μετάδοσης απώλειες μέσω του αέρα.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από το L1 ακτινοβολούνται παντού και το L2 που βρίσκεται κάπου στη γραμμή χτυπιέται από αυτά τα κύματα EM. Όταν συμβεί αυτό, τα ηλεκτρόνια μέσα στα καλώδια L2 αναγκάζονται να ταλαντευθούν με τον ίδιο ρυθμό με τα κύματα EM, πράγμα που τελικά οδηγεί σε επαγόμενη ηλεκτρική ενέργεια σε ολόκληρο το L2.

Η ηλεκτρική ενέργεια διορθώνεται και φιλτράρεται καταλλήλως από τον συνδεδεμένο ανορθωτή γέφυρας και το C1 αποτελεί ισοδύναμη έξοδο DC μεταξύ των απεικονιζόμενων τερματικών εξόδου.

Στην πραγματικότητα, αν δούμε προσεκτικά την αρχή λειτουργίας της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας, δεν βρίσκουμε τίποτα νέο, αλλά η παλιά τεχνολογία μετασχηματιστή που συνήθως χρησιμοποιούμε στα τροφοδοτικά μας, στις μονάδες SMPS κ.λπ.

Η μόνη διαφορά είναι η απουσία του πυρήνα που συνήθως βρίσκουμε στους κανονικούς μετασχηματιστές τροφοδοσίας μας. Ο πυρήνας βοηθά στη μεγιστοποίηση (συγκέντρωση) της διαδικασίας μεταφοράς ισχύος και στην εισαγωγή ελάχιστων απωλειών που με τη σειρά τους αυξάνουν την απόδοση σε μεγάλο βαθμό

Επιλογή πυρήνα επαγωγέα

Ο πυρήνας επιτρέπει επίσης τη χρήση σχετικά χαμηλότερων συχνοτήτων για τη διαδικασία, ώστε να είναι ακριβής περίπου 50 έως 100 Hz για μετασχηματιστές πυρήνα σιδήρου, ενώ εντός 100kHz για μετασχηματιστές πυρήνα φερρίτη.

Ωστόσο, στο προτεινόμενο άρθρο μας σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας, δεδομένου ότι τα δύο τμήματα πρέπει να απέχουν εντελώς το ένα από το άλλο, η χρήση ενός πυρήνα καθίσταται αμφίβολη και το σύστημα είναι υποχρεωμένο να λειτουργεί χωρίς την άνεση ενός βοηθητικού πυρήνα.

Χωρίς πυρήνα καθίσταται απαραίτητο να χρησιμοποιείται μια σχετικά υψηλότερη συχνότητα και επίσης υψηλότερο ρεύμα έτσι ώστε η μεταφορά να είναι σε θέση να ξεκινήσει, η οποία μπορεί να εξαρτάται άμεσα από την απόσταση μεταξύ των σταδίων μετάδοσης και λήψης.

Συνοψίζοντας την έννοια

Συνοψίζοντας, από την παραπάνω συζήτηση μπορούμε να υποθέσουμε ότι για να εφαρμόσουμε μια βέλτιστη μεταφορά ισχύος μέσω αέρα, πρέπει να συμπεριλάβουμε τις ακόλουθες παραμέτρους στο σχεδιασμό:

Ένας σωστά συνδυασμένος λόγος πηνίου σε σχέση με την προβλεπόμενη επαγωγή τάσης.

Υψηλή συχνότητα από 200kHz έως 500kHz ή μεγαλύτερη για το πηνίο πομπού.

Και ένα υψηλό ρεύμα για το πηνίο πομπού, ανάλογα με την απόσταση που απαιτείται για τη μεταφορά των ακτινοβολημένων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας της ασύρματης μεταφοράς, μη διστάσετε να σχολιάσετε.