תמסורת אלחוטית לאספקת חשמל היא בעלת יכולת לספק התקדמות גדולה בתעשיות ויישומים התלויים במגע הפיזי של המחבר. זה, בתורו, יכול להיות לא אמין ולהוביל לכישלון. העברת חשמל אלחוטי הוכח לראשונה על ידי ניקולה טסלה בשנות ה-90. עם זאת, רק בעשור האחרון נעשה שימוש בטכנולוגיה עד לנקודה שבה היא מציעה יתרונות ממשיים ומוחשיים עבור יישומים בעולם האמיתי. בפרט, הפיתוח של מערכת חשמל אלחוטית מהדהדת לשוק האלקטרוניקה הצרכנית הראה שטעינה אינדוקטיבית מביאה רמות חדשות של נוחות למיליוני מכשירים יומיומיים.
הכוח המדובר מוכר בדרך כלל במונחים רבים. כולל שידור אינדוקטיבי, תקשורת, רשת אלחוטית תהודה ואותה החזרת מתח. כל אחד מהתנאים הללו מתאר בעצם את אותו תהליך בסיסי. העברה אלחוטית של חשמל או כוח ממקור מתח לטעינת מתח ללא מחברים דרך מרווח אוויר. הבסיס הוא שני סלילים- משדר ומקלט. הראשון מופעל על ידי זרם חילופין ליצירת שדה מגנטי, שבתורו גורם למתח בשני.
איך המערכת המדוברת פועלת
היסודות של כוח אלחוטי כוללים חלוקת כוח ממשדר למקלט באמצעות שדה מגנטי מתנודד. כדי להשיג זאת, הזרם הישר המסופק על ידי ספק הכוח מומר לזרם חילופין בתדר גבוה. עם אלקטרוניקה שתוכננה במיוחד מובנית במשדר. זרם החילופין מפעיל סליל של חוט נחושת במתקן, היוצר שדה מגנטי. כאשר הפיתול השני (המקבל) ממוקם בסמיכות. השדה המגנטי יכול לגרום לזרם חילופין בסליל הקולט. האלקטרוניקה במכשיר הראשון ממירה את ה-AC בחזרה ל-DC, מה שהופך לצריכת החשמל.
ערכת שידור כוח אלחוטי
מתח ה"רשת" מומר לאות AC, אשר נשלח לאחר מכן אל סליל המשדר באמצעות מעגל אלקטרוני. זורם דרך פיתול המפיץ, משרה שדה מגנטי. זה, בתורו, יכול להתפשט לסליל המקלט, שנמצא בסמיכות יחסית. השדה המגנטי יוצר אז זרם הזורם דרך הפיתול של המכשיר הקולט. התהליך שבו מתחלקת האנרגיה בין סלילי המשדר והקליטה מכונה גם צימוד מגנטי או תהודה. וזה מושג בעזרת שני הפיתולים הפועלים באותו תדר. הזרם הזורם בסליל המקלט,הומר ל-DC על ידי מעגל המקלט. לאחר מכן ניתן להשתמש בו כדי להפעיל את המכשיר.
מה המשמעות של תהודה
המרחק שבו ניתן להעביר אנרגיה (או כוח) גדל אם סלילי המשדר והמקלט מהדהדים באותו תדר. בדיוק כמו מזלג כוונון מתנודד בגובה מסוים ויכול להגיע למשרעת המקסימלית שלו. זה מתייחס לתדר שבו אובייקט רוטט באופן טבעי.
היתרונות של שידור אלחוטי
מהן היתרונות? יתרונות:
- מפחית עלויות הכרוכות בשמירה על מחברים ישרים (למשל בטבעת החלקה תעשייתית מסורתית);
- נוחות רבה יותר לטעינת מכשירים אלקטרוניים נפוצים;
- העברה מאובטחת ליישומים שחייבים להישאר אטומים הרמטית;
- ניתן להסתיר לחלוטין את האלקטרוניקה, מה שמפחית את הסיכון לקורוזיה עקב אלמנטים כמו חמצן ומים;
- ספק כוח אמין ועקבי לציוד תעשייתי מסתובב, נייד במיוחד;
- מבטיח העברת כוח אמינה למערכות קריטיות בסביבות רטובות, מלוכלכות ונעות.
ללא קשר ליישום, ביטול החיבור הפיזי מספק מספר יתרונות על פני מחברי חשמל כבלים מסורתיים.
היעילות של העברת האנרגיה המדוברת
היעילות הכוללת של מערכת חשמל אלחוטית היא הגורם החשוב ביותר בקביעת שלהביצועים. יעילות המערכת מודדת את כמות הכוח המועברת בין מקור הכוח (כלומר שקע בקיר) להתקן המקבל. זה, בתורו, קובע היבטים כמו מהירות טעינה וטווח התפשטות.
מערכות תקשורת אלחוטיות משתנות ברמת היעילות שלהן על סמך גורמים כגון תצורת ועיצוב סליל, מרחק שידור. מכשיר פחות יעיל יפיק יותר פליטות ויגרום לכך שפחות כוח יעבור דרך המכשיר הקולט. בדרך כלל, טכנולוגיות העברת חשמל אלחוטיות עבור מכשירים כגון סמארטפונים יכולות להגיע ל-70% ביצועים.
איך הביצועים נמדדים
משמעות, ככמות הכוח (באחוזים) שמועברת ממקור המתח למכשיר המקבל. כלומר, העברת חשמל אלחוטית לסמארטפון בנצילות של 80% משמעה ש-20% מהספק הקלט אובד בין שקע הקיר לסוללה עבור הגאדג'ט הנטען. הנוסחה למדידת יעילות העבודה היא: ביצועים=פלט DC חלקי קלט, הכפל את התוצאה ב-100%.
תמסורת אלחוטית של חשמל
ניתן להפיץ את הכוח דרך הרשת הנחשבת כמעט באמצעות כל החומרים הלא מתכתיים, כולל אך לא רק. מדובר במוצקים כמו עץ, פלסטיק, טקסטיל, זכוכית ולבנים וכן גזים ונוזלים. כאשר מתכת אוחומר מוליך חשמלי (כלומר, סיבי פחמן) ממוקם בסמיכות לשדה אלקטרומגנטי, העצם סופג ממנו כוח ומתחמם כתוצאה מכך. זה, בתורו, משפיע על יעילות המערכת. כך עובד בישול אינדוקציה, למשל, העברת כוח לא יעילה מהכיריים יוצרת חום לבישול.
כדי ליצור מערכת העברת חשמל אלחוטית, עליך לחזור למקורות הנושא. או ליתר דיוק, למדען והממציא המצליח ניקולה טסלה, שיצר ורשם פטנט על גנרטור שיכול לקחת כוח ללא מוליכים חומרניים שונים. אז כדי ליישם מערכת אלחוטית, יש צורך להרכיב את כל האלמנטים והחלקים החשובים, וכתוצאה מכך, סליל טסלה קטן ייושם. מדובר במכשיר שיוצר שדה חשמלי במתח גבוה באוויר שסביבו. יש לו כוח כניסה קטן, הוא מספק שידור כוח אלחוטי למרחקים.
אחת הדרכים החשובות ביותר להעברת אנרגיה היא צימוד אינדוקטיבי. הוא משמש בעיקר לשדה קרוב. זה מאופיין בעובדה שכאשר זרם עובר דרך חוט אחד, מתח מושרה בקצוות של אחר. העברת כוח נעשית על ידי הדדיות בין שני החומרים. דוגמה נפוצה היא שנאי. העברת אנרגיית מיקרוגל, כרעיון, פותחה על ידי וויליאם בראון. כל הרעיון כולל המרת מתח AC להספק RF והעברתו דרך החלל וחזרה פנימהכוח משתנה במקלט. במערכת זו, המתח נוצר באמצעות מקורות אנרגיה במיקרוגל. כגון קליסטרון. והכוח הזה מועבר לאנטנה המשדרת דרך מוליך הגל, שמגן מהכוח המוחזר. כמו גם טיונר התואם את העכבה של מקור המיקרוגל עם אלמנטים אחרים. קטע הקליטה מורכב מאנטנה. הוא מקבל כוח מיקרוגל ומעגל התאמת עכבה ומסנן. אנטנת קליטה זו, יחד עם התקן המיישר, עשויה להיות דיפול. מתאים לאות הפלט עם התראת צליל דומה של יחידת המיישר. בלוק המקלט מורכב גם מקטע דומה המורכב מדיודות המשמשות להמרת האות להתראה DC. מערכת שידור זו משתמשת בתדרים שבין 2 GHz ל-6 GHz.
העברה אלחוטית של חשמל בעזרת הנהג של Brovin, שהטמיע את הגנרטור באמצעות תנודות מגנטיות דומות. השורה התחתונה היא שהמכשיר הזה עבד הודות לשלושה טרנזיסטורים.
שימוש בקרן לייזר להעברת כוח בצורה של אנרגיית אור, המומרת לאנרגיה חשמלית בקצה המקבל. החומר עצמו מופעל ישירות באמצעות מקורות כמו השמש או כל מחולל חשמל. ובהתאם, מיישם אור ממוקד בעוצמה גבוהה. הגודל והצורה של הקורה נקבעים על ידי סט האופטיקה. ואור הלייזר המשודר הזה נקלט על ידי תאים פוטו-וולטאיים, שממירים אותו לאותות חשמליים. הוא בדרך כלל משתמשכבלים סיבים אופטיים לשידור. בדומה למערכת האנרגיה הסולארית הבסיסית, המקלט המשמש בהתפשטות מבוססת לייזר הוא מערך של תאים פוטו-וולטאיים או פאנל סולארי. הם, בתורם, יכולים להמיר אור מונוכרומטי לא קוהרנטי לחשמל.
תכונות חיוניות של המכשיר
כוחו של סליל טסלה טמון בתהליך הנקרא אינדוקציה אלקטרומגנטית. כלומר, השדה המשתנה יוצר פוטנציאל. זה גורם לזרם זרם. כאשר חשמל זורם דרך סליל של תיל, הוא יוצר שדה מגנטי הממלא את האזור סביב הסליל בצורה מסוימת. בניגוד לכמה ניסויים אחרים במתח גבוה, סליל טסלה עמד במבחנים ובניסויים רבים. התהליך היה די מייגע וארוך, אבל התוצאה הייתה מוצלחת, ולכן רשם בהצלחה פטנט על ידי המדען. אתה יכול ליצור סליל כזה בנוכחות רכיבים מסוימים. החומרים הבאים יידרשו ליישום:
- אורך 30 ס"מ PVC (כמה שיותר יותר טוב);
- חוט נחושת מצופה אמייל (חוט משני);
- לוח ליבנה לבסיס;
- 2222A טרנזיסטור;
- חוט מתחבר (ראשי);
- נגד 22 kΩ;
- מתגים וחוטי חיבור;
- 9 וולט סוללה.
שלבי יישום מכשיר טסלה
תחילה עליך לשים חריץ קטן בחלק העליון של הצינור כדי לעטוף סביב קצה אחד של החוטסְבִיב. סובב את הסליל לאט ובזהירות, תוך הקפדה לא לחפוף את החוטים או ליצור פערים. שלב זה הוא החלק הקשה והמייגע ביותר, אך הזמן המושקע יעניק סליל איכותי מאוד וטוב. כל 20 סיבובים לערך, טבעות של מסקינטייפ מונחות סביב הפיתול. הם פועלים כמחסום. למקרה שהסליל יתחיל להתפרק. בסיום, עטפו סרט כבד סביב החלק העליון והתחתון של הפיתול ורססו אותו ב-2 או 3 שכבות אמייל.
אז אתה צריך לחבר את הסוללה הראשית והמשנית לסוללה. לאחר - הפעל את הטרנזיסטור והנגד. הפיתול הקטן יותר הוא הראשוני והפיתול הארוך יותר הוא המשני. ניתן להתקין כאופציה כדור אלומיניום על גבי הצינור. כמו כן, חבר את הקצה הפתוח של המשני לזה שנוסף, שישמש כאנטנה. יש להיזהר לא לגעת במכשיר המשני כאשר המתח מופעל.
יש סכנת שריפה אם נמכר בעצמך. צריך להעיף את המתג, להתקין מנורת ליבון ליד מכשיר העברת החשמל האלחוטי וליהנות ממופע האור.
תמסורת אלחוטית באמצעות מערכת אנרגיה סולארית
תצורות חלוקת חשמל קוויות מסורתיות דורשות בדרך כלל חוטים בין התקנים מבוזרים ויחידות צריכה. זה יוצר הרבה הגבלות כמו עלות המערכתעלויות כבלים. הפסדים שנגרמו בהעברה. כמו גם פסולת בהפצה. התנגדות קו השידור לבדה מובילה לאובדן של כ-20-30% מהאנרגיה המופקת.
אחת ממערכות העברת הכוח האלחוטיות המודרניות ביותר מבוססת על העברת אנרגיה סולארית באמצעות תנור מיקרוגל או קרן לייזר. הלוויין ממוקם במסלול גיאוסטציונרי ומורכב מתאי פוטו-וולטאיים. הם ממירים את אור השמש לזרם חשמלי, המשמש להפעלת מחולל מיקרוגל. ובהתאם, מבין את כוחם של גלי מיקרוגל. מתח זה מועבר באמצעות תקשורת רדיו ומתקבל בתחנת הבסיס. זהו שילוב של אנטנה ומיישר. והוא מומר בחזרה לחשמל. דורש מתח AC או DC. הלוויין יכול לשדר עד 10 MW של הספק RF.
כשמדברים על מערכת הפצה DC, אפילו זה בלתי אפשרי. מכיוון שזה דורש מחבר בין ספק הכוח למכשיר. יש תמונה כזו: המערכת נטולת חוטים לחלוטין, שבה אתה יכול לקבל מתח AC בבתים ללא כל התקנים נוספים. היכן שניתן להטעין את הטלפון הנייד ללא צורך בחיבור פיזי לשקע. כמובן שמערכת כזו אפשרית. והרבה חוקרים מודרניים מנסים ליצור משהו מודרני, תוך לימוד התפקיד של פיתוח שיטות חדשות לשידור אלחוטי של חשמל מרחוק. אמנם, מנקודת מבט של המרכיב הכלכלי, עבור מדינות זה לא יהיהזה די משתלם אם מכשירים כאלה יוכנסו לכל מקום, ויחליפו את החשמל הסטנדרטי בחשמל טבעי.
מקורות ודוגמאות של מערכות אלחוטיות
המושג הזה לא ממש חדש. כל הרעיון הזה פותח על ידי ניקולס טסלה ב-1893. כאשר פיתח מערכת להארת צינורות ואקום באמצעות טכניקות שידור אלחוטיות. אי אפשר לדמיין שהעולם מתקיים ללא מקורות טעינה שונים, המתבטאים בצורה חומרית. כדי לאפשר לטלפונים ניידים, רובוטים ביתיים, נגני MP3, מחשבים, מחשבים ניידים ושאר גאדג'טים ניידים להיטען בעצמם, ללא חיבורים נוספים, ולשחרר את המשתמשים מחוטים קבועים. ייתכן שחלק מהמכשירים הללו אפילו לא ידרשו מספר רב של אלמנטים. ההיסטוריה של העברת הכוח האלחוטית עשירה למדי, ובעיקר, הודות לפיתוחים של טסלה, וולטה וכו'. אבל היום זה נשאר רק נתונים במדע הפיזיקלי.
העיקרון הבסיסי הוא המרת מתח AC למתח DC באמצעות מיישרים ומסננים. ואז - בחזרה לערך המקורי בתדר גבוה באמצעות ממירים. כוח AC זה במתח נמוך, בעל תנודות גבוהות, מועבר לאחר מכן מהשנאי הראשי אל המשני. הומר למתח DC באמצעות מיישר, מסנן ווסת. אות AC הופך ישירהודות לצליל הזרם. כמו גם שימוש בקטע מיישר הגשר. אות DC המתקבל מועבר דרך פיתול משוב הפועל כמעגל מתנד. במקביל, הוא מאלץ את הטרנזיסטור להוליך אותו אל הממיר הראשי בכיוון משמאל לימין. כאשר זרם עובר דרך פיתול המשוב, הזרם המתאים זורם לצד הראשוני של השנאי מימין לשמאל.
כך פועלת השיטה האולטרסאונד להעברת אנרגיה. האות נוצר דרך החיישן עבור שני חצאי המחזורים של התראת AC. תדר הקול תלוי באינדיקטורים הכמותיים של הרעידות של מעגלי הגנרטור. אות AC זה מופיע על הפיתול המשני של השנאי. וכאשר הוא מחובר למתמר של אובייקט אחר, מתח AC הוא 25 קילו-הרץ. קריאה מופיעה דרכו בשנאי מטה.
מתח AC זה משוווה על ידי מיישר גשר. ואז מסונן ומווסת כדי לקבל פלט 5V להנעת ה-LED. מתח המוצא של 12V מהקבל משמש להפעלת מנוע המאוורר DC כדי להפעיל אותו. אז, מנקודת המבט של הפיזיקה, העברת חשמל היא אזור מפותח למדי. עם זאת, כפי שמראה בפועל, מערכות אלחוטיות אינן מפותחות ומשופרות במלואן.
