Các loại công nghệ truyền điện không dây khác nhau và hoạt động của chúng

Mọi hệ thống hoặc thiết bị điện tử đều cần nguồn điện để hoạt động, cho dù đó là nguồn điện từ nguồn AC gắn trên tường của bạn hay từ pin. Nguồn điện này không thể được lưu trữ vô hạn trong bất kỳ thiết bị có thể sạc lại nào như pin, tụ điện hoặc Siêu tụ điện. Vì vậy, bất kỳ thiết bị di động nào như máy tính xách tay hoặc điện thoại di động đều cần được kết nối với đường dây điện AC để sạc pin thường xuyên.

Thông thường, cáp điện được sử dụng để kết nối các thiết bị có thể sạc lại này như điện thoại thông minh, máy tính bảng, tai nghe, loa Bluetooth, v.v. với bộ điều hợp AC-DC. Sử dụng cáp dẫn điện tử để truyền điện hoặc dữ liệu giữa hai hệ thống là cách cơ bản và phổ biến nhất kể từ khi phát hiện ra chính điện. Và mọi người vẫn hài lòng khi sử dụng dây cáp điện cho đến bây giờ nhưng với sự tiến bộ của công nghệ, sự an toàn của con người và sự khao khát sự hoàn hảo về vẻ đẹp của con người đã dẫn đến khái niệm Truyền điện không dây (WPT) hoặc truyền năng lượng không dây (WET) trở thành bức tranh đã mất từ lâu. trong lịch sử. Trong một số bài viết trước của chúng tôi, chúng tôi đã giải thích chi tiết về Truyền nguồn không dây và cũng xây dựng một mạch để truyền không dây Nguồn để phát sáng đèn LED.

Ứng dụng thử nghiệm đáng kể đầu tiên cho truyền điện không dây (WPT) được thực hiện vào đầu những năm 1890 bởi nhà phát minh Nikola Tesla. Trong các thí nghiệm, công suất điện được truyền bằng cách ghép điện dung và cảm ứng sử dụng máy biến áp cộng hưởng tần số vô tuyến kích thích tia lửa, ngày nay được gọi là cuộn Tesla. Mặc dù những thử nghiệm này thành công một phần, nhưng chúng không hiệu quả và đòi hỏi đầu tư cao. Vì vậy, sau này, những thí nghiệm này bị loại bỏ và việc nghiên cứu công nghệ bị đình trệ trong nhiều năm. Chúng tôi cũng đã chế tạo một cuộn dây tesla mini để chứng minh khái niệm về cuộn dây Tesla.

Mặc dù hiện nay không có cách hiệu quả nào để truyền công suất cao qua mạng không dây, nhưng có thể thiết kế một mạch với những tiến bộ công nghệ hiện nay để truyền công suất thấp giữa hai hệ thống một cách hiệu quả. Và bộ sạc không dây được thiết kế dựa trên vi mạch mới được phát triển này cho phép nó cung cấp năng lượng không dây cho điện thoại thông minh và các thiết bị điện tử nhỏ khác.

Công nghệ sạc không dây khác nhau được sử dụng trong bộ sạc không dây

Kể từ khi khái niệm truyền điện không dây trở nên phổ biến, cả các nhà khoa học và kỹ sư đã nghĩ ra nhiều cách khác nhau để hiện thực hóa khái niệm này. Mặc dù hầu hết các thí nghiệm này đều dẫn đến thất bại hoặc kết quả không thực tế, một vài thí nghiệm trong số này đã cho kết quả khả quan. Những cách làm việc và thử nghiệm này để đạt được khả năng truyền điện không dây có những ưu điểm, nhược điểm và tính năng riêng. Trong số các phương pháp khác nhau này, chỉ có một vài phương pháp được sử dụng để thiết kế Bộ sạc không dây. Whiles các phương pháp khác có khu vực ứng dụng và lợi thế riêng của chúng.

Bây giờ để hiểu rõ hơn, các phương pháp này được phân loại dựa trên khoảng cách truyền tải, công suất cực đại và phương pháp được sử dụng để đạt được truyền tải điện năng. Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy nhiều cách khác nhau được sử dụng để đạt được công nghệ truyền điện không dây và phân loại của chúng.

Đây,

Cách phân loại đầu tiên và quan trọng nhất là dựa trên mức độ khả năng chuyển giao quyền lực. Trong các phương pháp đã thử nghiệm, một số có khả năng cung cấp điện không dây cho các tải ở khoảng cách lớn trong khi các phương pháp khác chỉ có thể cung cấp điện cho các tải cách nguồn chỉ vài cm. Vì vậy, sự phân chia đầu tiên dựa trên việc phương pháp là Trường gần hay Trường xa.
Sự khác biệt về khả năng khoảng cách dựa trên loại hiện tượng được sử dụng bởi các phương pháp khác nhau để đạt được truyền điện không dây. Ví dụ, nếu môi trường được sử dụng theo phương pháp để cung cấp điện là Cảm ứng điện từ thì khoảng cách tối đa không được cao hơn 5cm. Điều này là do sự mất mát từ thông tăng lên theo cấp số nhân với sự gia tăng khoảng cách giữa nguồn và tải dẫn đến tổn thất điện năng không thể chấp nhận được. Mặt khác, nếu phương tiện được sử dụng theo phương pháp này để cung cấp điện năng là Bức xạ điện từthì khoảng cách tối đa có thể lên cao vài mét. Điều này là do EMR có thể được tập trung vào một tiêu điểm cách nguồn hàng mét. Ngoài ra, các phương pháp sử dụng EMR như một phương tiện để cung cấp điện năng có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp khác.
Trong nhiều cách được đề cập ở trên, một số phổ biến hơn những cách khác và các phương pháp phổ biến được sử dụng rộng rãi được thảo luận dưới đây.

Có hai phương pháp phổ biến để truyền tải điện năng không dây sử dụng Bức xạ điện từ làm phương tiện trung gian - Công suất vi sóng và Công suất laser / ánh sáng

Truyền điện không dây bằng vi sóng

Như chính tên gọi của nó trong phương pháp này, nó sẽ sử dụng phổ vi sóng của EMR để cung cấp năng lượng cho tải. Đầu tiên, máy phát sẽ lấy điện từ ổ cắm hoặc bất kỳ nguồn điện ổn định nào khác sau đó điều chỉnh nguồn AC này đến mức cần thiết. Sau đó, công suất được truyền đi sẽ tạo ra sóng vi ba bằng cách tiêu thụ nguồn điện được điều chỉnh này. Các vi sóng di chuyển trong không khí mà không bị gián đoạn để đến máy thu hoặc tải. Bộ thu sẽ được trang bị các thiết bị thích hợp để nhận bức xạ vi sóng này và chuyển nó thành năng lượng điện. Công suất điện được chuyển đổi này tỷ lệ thuận với lượng bức xạ vi sóng tới máy thu và do đó đạt được truyền tải điện không dây bằng bức xạ vi sóng.

Truyền điện không dây bằng ánh sáng Laser

Bất kỳ người nào liên quan đến điện tử và năng lượng điện đều phải bắt gặp một khái niệm gọi là sản xuất điện mặt trời. Và nếu bạn nhớ không lầm thì khái niệm phát điện mặt trời không gì khác ngoài việc sử dụng Bức xạ điện từ của mặt trời để tạo ra điện năng. Quá trình chuyển đổi này có thể dựa trên hệ thống tấm pin mặt trời, hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời hoặc bất kỳ hệ thống nào khác và bộ sạc năng lượng mặt trời có thể dễ dàng xây dựng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời. Nhưng vấn đề mấu chốt ở đây là năng lượng do mặt trời truyền đến trái đất ở dạng Bức xạ điện từ và cụ thể là trong quang phổ khả kiến và việc truyền năng lượng ở đây được thực hiện không dây. Do đó, khái niệm sản xuất điện mặt trời tự nó là một Hệ thống truyền tải điện không dây cực lớn.

Bây giờ, nếu chúng ta thay thế mặt trời bằng một máy phát EMR nhỏ hơn (hoặc đơn giản là một nguồn sáng) thì chúng ta có thể tập trung bức xạ được tạo ra vào một tải trọng cách nguồn sáng hàng trăm mét. Khi ánh sáng tập trung này đến bảng điều khiển năng lượng mặt trời của mô-đun thu (hoặc tải), nó sẽ chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, đây là mục tiêu ban đầu của việc thiết lập truyền tải điện không dây.

Cho đến bây giờ, chúng tôi đã thảo luận về các kỹ thuật hoặc phương pháp có khả năng cung cấp điện cho tải cách nguồn vài mét. Mặc dù các kỹ thuật này có khả năng khoảng cách, nhưng chúng cồng kềnh và tốn kém nên không phù hợp với thiết kế Bộ sạc di động. Các phương pháp thiết thực nhất có thể được sử dụng để thiết kế bộ sạc không dây là ' Kiểu ghép cảm ứng' và ' Cảm ứng cộng hưởng từ '. Đây là hai phương pháp sử dụng Định luật Faradays của Cảm ứng Điện từ làm nguyên lý và Từ thông làm hiện tượng lan truyền để truyền tải điện không dây.

Truyền điện không dây sử dụng khớp nối cảm ứng

Thiết lập được sử dụng trong Khớp nối cảm ứng rất giống với thiết lập được sử dụng cho Máy biến áp điện. Để hiểu rõ hơn, chúng ta hãy xem xét mạch ứng dụng điển hình của phương pháp Truyền Nguồn Không dây Khớp nối Cảm ứng.

Trong sơ đồ chức năng trên, chúng ta có hai phần một là thiết lập truyền tải điện và phần còn lại là thiết lập nhận điện.
Cả hai phần đều được cách ly về điện với nhau và được ngăn cách bởi một vật cách điện có chiều rộng vài cm. Mặc dù cả hai phần không có bất kỳ tương tác điện nào vẫn có một khớp nối từ tính giữa chúng.
Nguồn điện áp xoay chiều có trong mô-đun máy phát cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.

Hoạt động của loại Khớp nối cảm ứng Truyền dẫn không dây: Ngay từ đầu, dòng điện trong cuộn dây dẫn đã xuất hiện trong mô-đun Máy phát do nguồn điện áp xoay chiều được kết nối với các cực cuối của cuộn dây. Và bởi vì dòng điện này, một từ trường sẽ được tạo ra xung quanh các dây dẫn của cuộn dây được quấn chặt chẽ quanh lõi ferit. Bởi vì sự hiện diện của một môi trường, tất cả các từ thông của cuộn dây được tập trung vào lõi ferit. Từ thông này di chuyển dọc theo trục của lõi ferit và bị đẩy ra vùng không gian trống bên ngoài mô-đun truyền dẫn như trong hình.

Bây giờ, nếu chúng ta đưa mô-đun máy thu đến gần máy phát, thì từ thông do máy phát phát ra sẽ cắt cuộn dây có trong mô-đun máy thu. Vì từ thông được tạo ra bởi mô-đun máy phát là thông lượng thay đổi, do đó EMF phải được cảm ứng vào vật dẫn đưa trong phạm vi của nó theo Định luật cảm ứng điện từ Faradays. Dựa trên lý thuyết này, một EMF cũng phải được dẫn vào cuộn dây máy thu đang chịu từ thông do máy phát tạo ra. Điện áp tạo ra này sẽ được chỉnh lưu, lọc và điều chỉnh để có được điện áp DC thích hợp, rất cần cho bộ điều khiển hệ thống.

Trong một số trường hợp, lõi ferit cũng được loại bỏ để giúp bộ phát và bộ thu nhỏ gọn và nhẹ hơn. Bạn có thể thấy ứng dụng này trong Bộ sạc điện thoại di động không dây và Cặp điện thoại thông minh. Như chúng ta đã biết các ngành công nghiệp hiện nay đang cạnh tranh nhau để phát hành điện thoại thông minh hiệu suất cao và các thiết bị khác nhẹ hơn, mỏng hơn và mát hơn. Các nhà thiết kế đang gặp ác mộng để đạt được những tính năng này mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, vì vậy việc làm cho thiết bị trở nên cồng kềnh chỉ vì mục đích truyền tải điện không dây là không thể chấp nhận được. Vì vậy, các nhà thiết kế và kỹ thuật đã đưa ra nhiều mô-đun mỏng hơn và nhẹ hơn để có thể lắp vào điện thoại thông minh và máy tính bảng.

Ở đây bạn có thể xem cấu tạo bên trong của bộ sạc không dây mới nhất.

Điện thoại thông minh có khả năng cấp nguồn không dây cũng sẽ có một cuộn dây tương tự để làm cho cảm ứng điện từ có thể. Bạn có thể thấy trong hình bên dưới, cuộn dây mỏng được gắn ở đầu dưới cùng của Điện thoại thông minh gần pin như thế nào. Bạn có thể thấy cách các kỹ sư thiết kế bộ sạc không dây này rất mỏng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Hoạt động của thiết lập này tương tự như trường hợp được thảo luận ở trên ngoại trừ việc nó không có bất kỳ lõi ferit nào ở trung tâm của cuộn dây.

Mặc dù cách truyền tải điện thông qua Cảm ứng điện từ này có vẻ dễ dàng nhưng nó không thể so sánh với một phương pháp truyền tải điện hiệu quả qua cáp.

Truyền điện không dây dựa trên cảm ứng cộng hưởng từ

Cảm ứng cộng hưởng từ là một dạng ghép cảm ứng trong đó công suất được chuyển bằng từ trường giữa hai mạch cộng hưởng (mạch điều chỉnh), một trong máy phát và một trong máy thu. Do đó, việc thiết lập mạch Cảm ứng cộng hưởng từ phải rất giống với mạch Khớp nối cảm ứng mà chúng ta đã thảo luận trước đây.

Bạn có thể thấy trong hình này ngoại trừ sự hiện diện của tụ điện nối tiếp, toàn bộ mạch tương tự như trường hợp trước.

Hoạt động: Hoạt động của mô hình này cũng rất giống với trường hợp trước ngoại trừ ở đây các mạch có trong máy phát và máy thu được điều chỉnh để hoạt động ở tần số cộng hưởng. Các tụ điện được kết nối đặc biệt với cả hai cuộn dây để đạt được hiệu ứng cộng hưởng này.

Như chúng ta đã biết một tụ điện mắc nối tiếp với cuộn cảm sẽ tạo thành mạch LC nối tiếp như hình vẽ bên. Và giá trị của tần số mà mạch này sẽ hoạt động khi cộng hưởng có thể được đưa ra là, F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Ở đây L = Giá trị cuộn cảm và C = Giá trị tụ điện.

Bằng cách sử dụng công thức tương tự, chúng ta sẽ tính được giá trị của tần số cộng hưởng cho mạch phát công suất và điều chỉnh tần số nguồn điện xoay chiều đến giá trị tính toán đó.

Khi tần số nguồn được điều chỉnh thì mạch phát cùng với mạch thu sẽ hoạt động ở tần số cộng hưởng. Sau đó, EMF phải được tạo ra trong mạch thu theo Định luật Cảm ứng Faradays như chúng ta đã thảo luận trong trường hợp trước. Và EMF cảm ứng này sẽ được chỉnh lưu, lọc và điều chỉnh để có được điện áp DC thích hợp như trong hình.

Cho đến bây giờ, chúng ta đã thảo luận về các kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng để truyền tải điện không dây cùng với các mạch ứng dụng điển hình của chúng. Và chúng tôi sử dụng các phương pháp này để phát triển mạch cho tất cả các hệ thống truyền tải điện không dây như bộ sạc không dây, hệ thống sạc xe điện không dây, truyền điện không dây cho máy bay không người lái, máy bay, v.v.

Tiêu chuẩn truyền điện không dây

Giờ đây, với việc mỗi công ty phát triển các sản phẩm và trạm sạc của riêng mình, cần có các tiêu chuẩn chung giữa tất cả các nhà phát triển để làm cho người tiêu dùng lựa chọn tốt nhất trong số các lựa chọn. Vì vậy, một số tiêu chuẩn được tuân theo bởi tất cả các ngành công nghiệp đang phát triển hệ thống truyền tải điện không dây.

Các tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng để phát triển các thiết bị truyền điện không dây như bộ sạc không dây:

Tiêu chuẩn 'Qi' - của Wireless Power Consortium:

Công nghệ - Cảm ứng, Cộng hưởng - Tần số thấp
Công suất thấp - 5W, Công suất trung bình - 15W, Thiết bị nhà bếp không dây Qi từ 100W đến 2,4kW
Dải tần số - 110 - 205 kHz
Sản phẩm - Hơn 500 sản phẩm và được sử dụng trong hơn 60 công ty điện thoại di động

Tiêu chuẩn 'PMA' - của Power Matter Alliance:

Công nghệ - Cảm ứng, Cộng hưởng - Tần số cao
Công suất tối đa từ 3,5W đến 50W
Dải tần số - 277 - 357 kHz
Sản phẩm - chỉ có 2 nhưng 1.00.000 đơn vị thảm điện được phân phối trên toàn cầu

Ưu điểm của bộ sạc không dây

Bộ sạc không dây rất hữu ích để sạc các thiết bị tại nhà như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, iPod, máy tính xách tay, tai nghe, v.v.
Nó cung cấp một phương thức truyền điện thuận tiện, an toàn và hiệu quả mà không phương tiện nào có được.
Thân thiện với môi trường - Không gây hại hoặc gây thương tích cho con người hoặc bất kỳ sinh vật nào.
Nó có thể được sử dụng để sạc cấy ghép y tế giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và giảm nguy cơ nhiễm trùng.
Không cần phải lo lắng thông thường về sự hao mòn của giắc cắm nguồn.
Việc dò tìm hướng cáp nguồn kết thúc với việc sử dụng bộ sạc không dây.

Nhược điểm của bộ sạc không dây

Hiệu quả kém hơn và hao phí điện năng nhiều hơn.
Chi phí cao hơn bộ sạc cáp.
Việc sửa chữa lỗi rất khó.
Không thích hợp để cung cấp điện cao.
Tổn thất năng lượng tăng theo tải.