نظرة عامة على تقنية الشحن اللاسلكي

الشحن اللاسلكي هو عملية إعادة شحن الأجهزة الإلكترونية التي تعمل بالبطاريات دون ربطها مباشرة باستخدام الأسلاك والكابلات بمصدر طاقة. تمنح هذه العملية المستخدمين حرية شحن هواتفهم أثناء التنقل دون الحاجة إلى توصيل منفذ الطاقة. هذا يعني أنه يمكن شحن الهواتف الذكية والأجهزة الأخرى التي تدعم الشحن اللاسلكي عن طريق وضعها ببساطة على طاولة القهوة على سبيل المثال أو حتى يمكن شحن الأجهزة الأكثر تعقيدًا مثل السيارات الكهربائية بمجرد إيقافها في المرآب أو عن طريق الشحن اللاسلكي على الطريق. إنه يلغي جميع مشكلات السلامة المرتبطة بالشحن المستند إلى الأسلاك ويفتح الباب لنوع جديد من الحرية للمستخدمين.

يعود تاريخ الشحن اللاسلكي إلى أواخر القرن التاسع عشر عندما طور نيكولا تيسلا ملف تسلا الذي كان من المفترض أن يساعد في نقل الطاقة لاسلكيًا ، بينما فشلت التجربة في تحقيق الهدف في ذلك الوقت ، فقد أثارت اهتمامًا بالمجال وبدأ الكثير من الأشخاص في العمل عليها الفكرة. في عام 2006 ، بدأ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في اختبار استخدام اقتران الرنين لنقل كمية كبيرة من الطاقة ، مما مهد الطريق لبعض تقنيات الشحن اللاسلكي الرائعة الموجودة اليوم. يمكنك التحقق من هذه التجربة لبناء ملف Mini Tesla لنقل الطاقة لاسلكيًا.

كيف يعمل نقل الطاقة اللاسلكي

يشار أحيانًا إلى الشحن اللاسلكي على أنه الشحن الاستقرائي لأنه يعتمد على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي. تمامًا مثل نظام الاتصالات اللاسلكية ، يتحقق الشحن اللاسلكي من خلال عمل جهاز إرسال واستقبال الطاقة اللاسلكية. يُشار إلى جهاز إرسال الشحن اللاسلكي عادةً باسم محطة الشحن المتصلة بمأخذ الطاقة وتنقل الطاقة التي يتم توفيرها عبر المنفذ إلى جهاز الاستقبال الذي يتم توصيله دائمًا بالجهاز المراد شحنه ووضعه بالقرب من محطة الشحن اللاسلكي.

يوجد أدناه مخطط كتلة لوصف مكونات نظام الشحن اللاسلكي وعملية الشحن:

كما ذكرنا سابقًا ، يستفيد الشحن اللاسلكي من مبدأ الحث المغناطيسي المستخدم في محولات الطاقة الكهربائية والمولدات والمحركات ، بحيث يؤدي مرور التيار الكهربائي عبر ملف إلى مجال مغناطيسي متغير حول هذا الملف مما يؤدي إلى حدوث تيار في ملف مقترن آخر. هذا هو المبدأ الكامن وراء نقل الطاقة الكهربائية بين الملف الأولي والثانوي في المحول الكهربائي على الرغم من أنها تبدو معزولة كهربائيًا. في الشحن اللاسلكي ، يمتلك كل مكون من المكونات (المرسل والمستقبل) التي يتكون منها النظام ملفًا. يمكن تشبيه ملف المرسل بالملف الأساسي بينما يمكن تشبيه ملف المستقبل بالملف الثانوي لمحول الطاقة الكهربائية. عند توصيل محطة شحن بمصدر طاقة التيار المتردد ،يتم تصحيح الطاقة الموفرة للتيار المستمر بواسطة نظام المعدل الذي يتولى نظام التحويل بعده المسؤولية. سبب التبديل هو القدرة على توليد التدفق المغناطيسي المتغير اللازم للحث على الشحنات في ملف المستقبل.

يجمع ملف المستقبل الطاقة الواردة ويمررها إلى دائرة المستقبل التي تحول الطاقة الواردة إلى تيار مستمر ثم يطبق الطاقة المستلمة لشحن البطارية.

كما هو موضح أعلاه ، يحدث نقل الطاقة عندما يتم تحويل التدفق المغناطيسي ، الناتج عن إنشاء مجال مغناطيسي متناوب في ملف الإرسال ، إلى تيار كهربائي في ملف المستقبل. يعتمد مقدار التيار الكهربائي المتولد على كمية التدفق المتولد عن جهاز الإرسال ومقدار هذا التدفق الذي كان ملف المستقبل قادرًا على التقاطه. يعتمد مقدار التدفق الذي يلتقطه المستقبِل على "عامل الاقتران" الذي يتم تحديده بواسطة حجم ومسافة وموضع ملف المستقبل بالنسبة إلى ملف المرسل. هذا يعني أن عامل الاقتران الأعلى سيؤدي إلى نقل طاقة أعلى. لزيادة فرص عامل اقتران أعلى ، تم تصميم بعض محطات الشحن اللاسلكي بملفات إرسال متعددة كما هو موضح في الصورة أدناه.

معايير الشحن اللاسلكي

تشير معايير الشحن اللاسلكي إلى مجموعة القواعد التي تحكم تصميم وتطوير الأجهزة اللاسلكية. يوجد حاليًا معياران مختلفان للصناعة للشحن اللاسلكي يتم الترويج لهما بواسطة هيئات مختلفة.

1. معيار Rezence

2. معيار QI

و Rezence يستند المعيار على حثي الرنانة شحن مثل الذي يحدث عندما شحن كل من المرسل والمتلقي لفائف هم في الرنين. باستخدام هذا المعيار ، يمكن للأجهزة تحقيق مسافة أكبر بين المرسل والمستقبل للشحن. يتم الترويج لهذا المعيار من قبل تحالف الطاقة اللاسلكية (A4WP).

على مستوى QI من جهة أخرى يحقق نقل الطاقة لاسلكية باستخدام اقتران ضيق بين لفائف وضد Rezence القياسية، فقد تم تصميم جهاز الإرسال والاستقبال لفائف دائما أن تعمل على ترددات مختلفة قليلا لأنه يعتقد أن يتم تسليم المزيد من الطاقة باستخدام هذا الإعداد. يتم الترويج لمعيار QI من قبل اتحاد الطاقة اللاسلكية الذي يضم أعضاء مثل Apple inc و Qualcomm و HTC على سبيل المثال لا الحصر.

يمكنك تحديد المعيار اللاسلكي الذي يناسب تطبيقك بشكل أفضل من خلال مراعاة المفاضلات بين EMI والكفاءة وحرية المحاذاة بين المعيارين. ومع ذلك ، تم تصميم بعض محطات الشحن اللاسلكي لدعم كلا المعيارين ، وهي توفر قابلية عالية للتشغيل البيني بين الأجهزة.

تصميم بسيط لمجموعة الشاحن اللاسلكي

قبل إنشاء نظام شحن لاسلكي ، يجب مراعاة ما يلي.

1. قياسي: عند تجهيز جهاز بقدرات الشحن اللاسلكي ، فإن أول ما يجب فعله هو تحديد معيار الطاقة اللاسلكية الذي يناسب الجهاز وحالات استخدامه. تعتمد بعض أنظمة الشحن على معايير متعددة.

2. اختيار الملف: الشيء التالي هو اختيار نوع الملف الصحيح وهندسة الملف لتناسب حالة الاستخدام. يوفر البائعون هذه الملفات في مقاييس قياسية ، لذا يجب أن يعتمد اختيار المناسب على توصية ورقة البيانات الخاصة بجهاز إرسال الشحن اللاسلكي IC الذي سيتم استخدامه.

3. الضميمة: عند تصميم الأنظمة اللاسلكية ، من المهم ألا يكون غلاف الأجهزة من المعدن وأن يكون سطحه مستويًا نسبيًا لتحقيق عامل اقتران أعلى بين المرسل والمستقبل. يمنع المعدن بشكل فعال نقل الطاقة من الوصول إلى جهاز الاستقبال ويجب تصميم العلبة البلاستيكية لتكون رفيعة جدًا.

تصميم المرسل

يتكون نظام الشحن اللاسلكي من كلاً من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال كما هو مذكور سابقًا. يوجد أدناه مخطط يوضح تصميم جهاز الإرسال.

هناك ثلاثة مكونات رئيسية يتكون منها جهاز الإرسال ؛ و مصدر السلطة، لفائف الارسال والدوائر التبديل. عادة ما يكون مصدر الطاقة DC من تيار متردد مصحح. بعد التصحيح ، يتم استخدام دائرة التبديل لتوليد الإشارة المتناوبة المستخدمة في إنشاء المجال المغناطيسي المتغير للحث على نقل التيار من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال عبر ملف المرسل.

تصميم جهاز الاستقبال

تصميم جهاز الاستقبال مشابه لتصميم جهاز الإرسال باستثناء أن الإجراء يحدث بترتيب عكسي. يتكون جهاز الاستقبال من ملف جهاز استقبال وشبكة رنين ومقوم وشاحن IC يستخدم خرج دائرة المعدل لشحن البطارية المتصلة. يظهر مثال لدائرة المستقبل في الصورة أدناه مع إبراز الأجزاء الوظيفية. يعتمد هذا المثال على LTC4120 شحن IC.

التطبيقات

يتم استخدام الشحن اللاسلكي حاليًا في العديد من التطبيقات بما في ذلك:

1. الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء
2. أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية
3. الأدوات الكهربائية وروبوتات الخدمة ، مثل المكانس الكهربائية
4. الطائرات متعددة المروحيات والألعاب الكهربائية
5. أجهزة طبية
6. الشحن داخل السيارة

بالإضافة إلى الأسباب الخيالية التي تجعلك تستخدم الشحن اللاسلكي ، مثل عدم الحاجة إلى توصيل جهاز وعدم وجود مشكلات في توافق القابس ، يوفر الشحن اللاسلكي الأمان من المخاطر المتعلقة بالاتصال المباشر بالتيار الكهربائي. علاوة على ذلك ، يمكن الاعتماد عليه في البيئات الأكثر قسوة ، مثل الحفر والتعدين ويسمح بشحنه بسهولة أثناء التنقل. أخيرًا ، يزيل الشحن اللاسلكي التشابك والفوضى الأخرى الناتجة عن الأسلاك. لقد خدشنا للتو وجه الشحن اللاسلكي بالعديد من التطبيقات الجديدة ، ويجب أن يسعى كل تصميم منتج مع وضع المستقبل في الاعتبار إلى دمج الشحن اللاسلكي باعتباره بالتأكيد إحدى الطرق التي سنقوم بشحن الأجهزة التي تعمل بالبطارية في المستقبل القريب.