Az elektromos áram szállítására szolgáló vezeték nélküli átvitel jelentős előrelépést tesz lehetővé azokban az iparágakban és alkalmazásokban, amelyek a csatlakozó fizikai érintkezésétől függenek. Ez viszont megbízhatatlan lehet, és kudarchoz vezethet. A vezeték nélküli elektromosság átvitelét először Nikola Tesla mutatta be az 1890-es években. A technológiát azonban csak az elmúlt évtizedben használták odáig, hogy valódi, kézzelfogható előnyöket kínáljon a valós alkalmazások számára. Különösen a fogyasztói elektronikai piac számára a rezonáns vezeték nélküli táprendszer fejlesztése mutatta be, hogy az induktív töltés a kényelem új szintjét hozza a mindennapi eszközök millióinak.
A szóban forgó erőt általában sok kifejezéssel ismerik. Beleértve az induktív átvitelt, kommunikációt, rezonáns vezeték nélküli hálózatot és ugyanazt a feszültségvisszaadást. E feltételek mindegyike lényegében ugyanazt az alapvető folyamatot írja le. Villamosenergia vagy áram vezeték nélküli átvitele az áramforrásról a terhelési feszültségre csatlakozók nélkül, légrésen keresztül. Az alap két tekercs- adó és vevő. Az elsőt váltakozó árammal táplálják, hogy mágneses teret hozzon létre, ami viszont feszültséget indukál a másodikban.
A kérdéses rendszer működése
A vezeték nélküli áramellátás alapjai az energiának az adóról a vevőre történő elosztása egy oszcilláló mágneses mezőn keresztül. Ennek elérése érdekében a tápegység által szolgáltatott egyenáramot nagyfrekvenciás váltóárammá alakítják. Az adóba épített speciális elektronikával. A váltakozó áram aktiválja az adagolóban lévő rézhuzal tekercset, amely mágneses mezőt hoz létre. Amikor a második (fogadó) tekercset szoros közelségbe helyezzük. A mágneses tér váltakozó áramot indukálhat a vevő tekercsben. Az első eszköz elektronikája ezután visszaalakítja a váltakozó áramot egyenárammá, amiből lesz az energiafogyasztás.
Vezeték nélküli energiaátviteli séma
A "hálózati" feszültséget váltakozó áramú jellé alakítják, amelyet azután egy elektronikus áramkörön keresztül továbbítanak az adótekercshez. Az elosztó tekercsén átáramló mágneses mezőt indukál. Ez viszont átterjedhet a vevőtekercsre, amely viszonylag közel van. A mágneses mező ezután a vevőkészülék tekercsén átfolyó áramot generál. Mágneses vagy rezonáns csatolásnak is nevezik azt a folyamatot, amelynek során az energiát elosztják az adó- és vevőtekercsek között. És ez mindkét, azonos frekvencián működő tekercs segítségével érhető el. A vevő tekercsben folyó áram,DC-vé alakítja át a vevő áramkör. Ezt követően az eszköz táplálására használható.
Mit jelent a rezonancia
Az energia (vagy teljesítmény) átvitelének távolsága nő, ha az adó- és vevőtekercsek azonos frekvencián rezonálnak. Csakúgy, mint a hangvilla egy bizonyos magasságban oszcillál, és elérheti a maximális amplitúdóját. Arra a frekvenciára vonatkozik, amelyen egy objektum természetesen rezeg.
A vezeték nélküli átvitel előnyei
Milyen előnyei vannak? Előnyök:
- csökkenti az egyenes csatlakozók karbantartásával kapcsolatos költségeket (például egy hagyományos ipari csúszógyűrűben);
- nagyobb kényelem a gyakori elektronikus eszközök töltéséhez;
- biztonságos átvitel olyan alkalmazásokhoz, amelyeknek hermetikusan zárva kell maradniuk;
- az elektronika teljesen elrejthető, csökkentve az olyan elemek által okozott korrózió kockázatát, mint az oxigén és a víz;
- megbízható és állandó tápegység forgó, rendkívül mobil ipari berendezésekhez;
- megbízható erőátvitelt biztosít a kritikus rendszerek számára nedves, koszos és mozgó környezetben.
Az alkalmazástól függetlenül a fizikai csatlakozás megszüntetése számos előnnyel jár a hagyományos kábeles tápcsatlakozókkal szemben.
A kérdéses energiaátvitel hatékonysága
A vezeték nélküli energiaellátó rendszer általános hatékonysága a legfontosabb tényező annak meghatározásábanteljesítmény. A rendszer hatékonysága az áramforrás (azaz a fali aljzat) és a fogadó eszköz között átvitt energia mennyiségét méri. Ez viszont olyan szempontokat határoz meg, mint a töltési sebesség és a terjedési tartomány.
A vezeték nélküli kommunikációs rendszerek hatékonysági szintje változó, olyan tényezők alapján, mint a tekercs konfigurációja és kialakítása, az átviteli távolság. Egy kevésbé hatékony eszköz több kibocsátást eredményez, és kevesebb energiát fog áthaladni a vevőkészüléken. Az olyan eszközök vezeték nélküli energiaátviteli technológiái, mint az okostelefonok, jellemzően elérhetik a 70%-os teljesítményt.
A teljesítmény mérése
Jelentés: az áramforrástól a vevőkészülékhez továbbított teljesítmény mennyisége (százalékban). Vagyis a 80%-os hatékonyságú okostelefon vezeték nélküli energiaátvitele azt jelenti, hogy a bemeneti teljesítmény 20%-a elvész a fali aljzat és a töltendő kütyü akkumulátora között. A munka hatékonyságának mérésére szolgáló képlet a következő: teljesítmény=DC kimenet osztva a bemenettel, az eredményt szorozzuk meg 100%-kal.
Vezeték nélküli áramátvitel
Az áramot el lehet osztani az érintett hálózaton szinte minden nem fémes anyagon keresztül, beleértve, de nem kizárólagosan. Ezek szilárd anyagok, például fa, műanyag, textil, üveg és tégla, valamint gázok és folyadékok. Amikor fém illEgy elektromosan vezető anyagot (azaz szénszálat) egy elektromágneses tér közelébe helyeznek, a tárgy energiát vesz fel belőle, és ennek hatására felmelegszik. Ez viszont befolyásolja a rendszer hatékonyságát. Így működik az indukciós főzés, például a főzőlap nem hatékony teljesítményátvitele hőt termel a főzéshez.
Vezeték nélküli energiaátviteli rendszer létrehozásához vissza kell térnie a téma eredetéhez. Vagy inkább a sikeres tudósnak és feltalálónak, Nikola Teslának, aki megalkotott és szabadalmaztatott egy generátort, amely különféle materialista vezetők nélkül is képes áramot venni. Tehát a vezeték nélküli rendszer megvalósításához minden fontos elemet és alkatrészt össze kell szerelni, ennek eredményeként egy kis Tesla tekercs kerül megvalósításra. Ez egy olyan eszköz, amely nagyfeszültségű elektromos mezőt hoz létre a körülötte lévő levegőben. Kis bemeneti teljesítménnyel rendelkezik, vezeték nélküli energiaátvitelt biztosít távolról.
Az energiaátvitel egyik legfontosabb módja az induktív csatolás. Főleg közeli területen használják. Jellemzője, hogy amikor az áram áthalad az egyik vezetéken, egy másik vezeték végein feszültség indukálódik. Az erőátvitel a két anyag közötti kölcsönösséggel történik. Gyakori példa a transzformátor. A mikrohullámú energiatranszfer ötletként William Brown dolgozott ki. Az egész koncepció magában foglalja a váltakozó áramú tápfeszültség RF-tá alakítását, majd a térben való továbbítását, majd visszaküldésétváltozó teljesítmény a vevőn. Ebben a rendszerben a feszültséget mikrohullámú energiaforrások segítségével állítják elő. mint például a klystron. És ez a teljesítmény a hullámvezetőn keresztül jut el az adóantennához, amely megvéd a visszavert teljesítménytől. Valamint egy tuner, amely a mikrohullámú forrás impedanciáját más elemekkel illeszti. A vevő rész egy antennából áll. Mikrohullámú teljesítményt és impedancia illesztő áramkört és szűrőt fogad. Ez a vevőantenna az egyenirányító eszközzel együtt lehet dipólus. Megfelel a kimeneti jelnek, az egyenirányító egység hasonló hangjelzésével. A vevőblokk egy hasonló részből áll, amely diódákból áll, amelyek a jel egyenáramú riasztássá alakítására szolgálnak. Ez az átviteli rendszer 2 GHz és 6 GHz közötti frekvenciákat használ.
Vezeték nélküli villamosenergia-átvitel Brovin sofőrjének segítségével, aki a generátort hasonló mágneses rezgésekkel valósította meg. A lényeg az, hogy ez az eszköz három tranzisztornak köszönhetően működött.
Lézersugár használata fényenergia formájában történő energia továbbítására, amelyet a vevő oldalon elektromos energiává alakítanak át. Magát az anyagot közvetlenül olyan forrásokból táplálják, mint a Nap vagy bármely elektromos áramfejlesztő. És ennek megfelelően nagy intenzitású fókuszált fényt valósít meg. A sugár méretét és alakját az optika készlete határozza meg. Ezt a továbbított lézerfényt pedig fotovoltaikus cellák fogadják, amelyek elektromos jelekké alakítják át. Általában használjaszáloptikai kábelek átvitelhez. Az alapvető napelemes rendszerhez hasonlóan a lézer alapú terjedéshez használt vevő egy sor fotovoltaikus cella vagy egy napelem. Ezek viszont az inkoherens monokromatikus fényt elektromos árammá tudják alakítani.
A készülék alapvető funkciói
A Tesla tekercs ereje az elektromágneses indukciónak nevezett folyamatban rejlik. Vagyis a változó mező potenciált teremt. Ez áramoltatja. Amikor az elektromosság átfolyik egy huz altekercsen, mágneses mezőt hoz létre, amely bizonyos módon kitölti a tekercs körüli területet. Más nagyfeszültségű kísérletekkel ellentétben a Tesla tekercs számos tesztet és próbát kiállt. Az eljárás meglehetősen fáradságos és hosszadalmas volt, de az eredmény sikeres volt, ezért a tudós sikeresen szabadalmaztatta. Egy ilyen tekercset bizonyos alkatrészek jelenlétében hozhat létre. A megvalósításhoz a következő anyagokra lesz szükség:
- hossz 30 cm PVC (minél több, annál jobb);
- zománcozott rézhuzal (másodlagos vezeték);
- nyírfa alapra;
- 2222A tranzisztor;
- csatlakozó (elsődleges) vezeték;
- 22 kΩ ellenállás;
- kapcsolók és csatlakozó vezetékek;
- 9 voltos akkumulátor.
Tesla-eszköz bevezetési szakaszok
Először egy kis nyílást kell tenni a cső tetején, hogy körbetekerje a vezeték egyik végétkörül. Lassan és óvatosan tekerje fel a tekercset, ügyelve arra, hogy ne fedje át a vezetékeket, és ne keletkezzen rések. Ez a lépés a legnehezebb és legfárasztóbb rész, de az eltöltött idő nagyon jó minőségű és jó tekercset eredményez. Körülbelül 20 fordulónként maszkolószalag gyűrűket helyeznek a tekercs köré. Gátként működnek. Abban az esetben, ha a tekercs kezd kibomlani. Ha végzett, tekerjen vastag szalagot a tekercs tetejére és aljára, és permetezze be 2 vagy 3 réteg zománccal.
Ezután csatlakoztatnia kell az elsődleges és a másodlagos akkumulátort az akkumulátorhoz. Utána - kapcsolja be a tranzisztort és az ellenállást. A kisebb tekercs az elsődleges, a hosszabb tekercs a szekunder. A cső tetejére opcionálisan alumínium gömböt is szerelhet. Ezenkívül csatlakoztassa a másodlagos nyitott végét a hozzáadotthoz, amely antennaként fog működni. Ügyelni kell arra, hogy ne érintse meg a másodlagos eszközt, amikor be van kapcsolva.
Tűzveszély áll fenn, ha egyedül értékesíti. Meg kell fordítania a kapcsolót, fel kell szerelnie egy izzólámpát a vezeték nélküli energiaátviteli eszköz mellé, és élveznie kell a fényjátékot.
Vezeték nélküli adatátvitel napelemes rendszeren keresztül
A hagyományos vezetékes áramelosztási konfigurációkhoz általában vezetékekre van szükség az elosztott eszközök és fogyasztói egységek között. Ez sok korlátozást hoz létre a rendszer költségekéntkábel költségek. Az átvitel során keletkezett veszteségek. Valamint az elosztás során keletkező hulladék. Önmagában az átviteli vezeték ellenállása a megtermelt energia körülbelül 20-30%-ának elvesztéséhez vezet.
Az egyik legmodernebb vezeték nélküli energiaátviteli rendszer a napenergia mikrohullámú sütővel vagy lézersugárral történő átvitelén alapul. A műhold geostacionárius pályára áll, és fotovoltaikus cellákból áll. A napfényt elektromos árammá alakítják, amelyet egy mikrohullámú generátor táplálására használnak. És ennek megfelelően felismeri a mikrohullámú sütő erejét. Ezt a feszültséget rádiókommunikáción keresztül továbbítják és a bázisállomáson veszik. Ez egy antenna és egyenirányító kombinációja. És újra elektromos árammá alakul. AC vagy DC tápellátást igényel. A műhold akár 10 MW RF teljesítményt is képes továbbítani.
Ha egy egyenáramú elosztórendszerről beszélünk, még ez sem lehetetlen. Mivel ehhez csatlakozóra van szükség a tápegység és a készülék között. Van egy ilyen kép: a rendszer teljesen nélkülözi a vezetékeket, ahol minden további eszköz nélkül kaphat AC áramot az otthonokban. Ahol lehetséges a mobiltelefon feltöltése anélkül, hogy fizikailag csatlakozni kellene a konnektorhoz. Természetesen egy ilyen rendszer is lehetséges. És sok modern kutató próbál valami modernizáltat létrehozni, miközben tanulmányozza a villamos energia távolról történő vezeték nélküli átvitelének új módszereinek kifejlesztésének szerepét. Bár a gazdasági komponens szempontjából az államok számára ez nem lesz ígymeglehetősen kifizetődő, ha mindenhol ilyen eszközöket vezetnek be, és a szabványos elektromosságot természetes elektromossággal helyettesítik.
A vezeték nélküli rendszerek eredete és példái
Ez a koncepció nem igazán új. Ezt az egész ötletet Nicholas Tesla dolgozta ki 1893-ban. Amikor kifejlesztett egy rendszert a vákuumcsövek megvilágítására vezeték nélküli átviteli technikákkal. Lehetetlen elképzelni, hogy a világ létezne különféle töltési források nélkül, amelyek anyagi formában fejeződnek ki. Lehetővé tenni a mobiltelefonok, otthoni robotok, MP3 lejátszók, számítógépek, laptopok és egyéb hordozható kütyük önálló, további csatlakozások nélküli feltöltését, megszabadítva a felhasználókat az állandó vezetékezéstől. Néhány ilyen eszköz nem is igényel nagy számú elemet. A vezeték nélküli energiaátvitel története meglehetősen gazdag, és főleg a Tesla, Volta stb. fejlesztéseinek köszönhető. De ma már csak a fizikai tudomány adata.
Az alapelv az, hogy a váltakozó áramot egyenirányítók és szűrők segítségével DC feszültséggé alakítsák. És akkor - az eredeti értékhez való visszatérésben nagy frekvencián inverterek segítségével. Ezt az alacsony feszültségű, erősen rezgő váltakozó áramot továbbítják a primer transzformátorból a szekunder transzformátorba. Egyenirányítóval, szűrővel és szabályozóval DC feszültséggé alakítva. Az AC jel közvetlen leszaz áramlat hangjának köszönhetően. Valamint a híd egyenirányító szakasz használata. A vett egyenáramú jelet egy visszacsatoló tekercsen vezetik át, amely oszcillátor áramkörként működik. Ugyanakkor arra kényszeríti a tranzisztort, hogy balról jobbra vezesse azt az elsődleges konverterbe. Amikor az áram áthalad a visszacsatoló tekercsen, a megfelelő áram a transzformátor primer oldalára folyik jobbról balra.
Így működik az ultrahangos energiaátviteli módszer. A jelet az érzékelő generálja a váltakozó áramú riasztás mindkét félciklusára. A hangfrekvencia a generátor áramkörök rezgésének mennyiségi mutatóitól függ. Ez az AC jel megjelenik a transzformátor szekunder tekercsén. És amikor egy másik tárgy jelátalakítójához csatlakozik, az AC feszültség 25 kHz. Egy lecsökkentő transzformátoron keresztül egy leolvasás jelenik meg.
Ezt az AC feszültséget egy híd egyenirányító kiegyenlíti. Aztán szűrve és szabályozva, hogy 5 V-os kimenetet kapjon a LED meghajtásához. A kondenzátor 12 V-os kimeneti feszültsége az egyenáramú ventilátormotor táplálására szolgál. Tehát a fizika szempontjából az elektromosság átvitele meglehetősen fejlett terület. A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy a vezeték nélküli rendszerek nincsenek teljesen kifejlesztve és továbbfejlesztve.
