Теория
Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.
Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.
Ультразвук для передачи энергии
Любая волна переносит энергию, в том числе и звуковые волны высокой частоты. Существует три подхода к беспроводной передаче электричества:
- передача электрической энергии через преобразование в другой вид энергии в источнике и обратное преобразование в электричество в приемном устройстве;
- создание и использование альтернативных проводников электричества (плазменных каналов, столбов ионизированного воздуха и т. д. );
- использование токопроводящих свойств литосферы Земли.
Метод применения ультразвука относится к первому подходу. В источнике ультразвука особого вида при подаче электропитания возникает направленный пучок звуковых волн высокой частоты. При их попадании на приемник энергия звуковых волн преобразуется в электрический ток.
Максимальное расстояние передачи электроэнергии без проводов составляет 10 метров. Результат получен в 2011 году представителями университета Пенсильвании во время презентации в рамках выставки «The All Things Digital». Этот метод не считается перспективным из-за нескольких его недостатков: низкий КПД, малое получаемое напряжение и ограничение на силу излучения ультразвука санитарными нормами.
Как работает беспроводное электричество
Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.
Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.
Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.
Digitrode
Концепция беспроводной передачи электроэнергии не нова. Она была впервые продемонстрирована Николой Теслой в 1890 году. Никола Тесла использовал электродинамическую индукционную или резонансную индуктивную связь, зажигая три лампочки на расстоянии 60 футов от источника питания. В этом проекте мы также создадим мини-катушку Тесла для передачи энергии.
Беспроводная передача электроэнергии – это процесс подачи энергии через воздушный зазор без использования каких-либо проводов или физического соединения. В этой беспроводной системе передающее устройство генерирует изменяющееся во времени высокочастотное электромагнитное поле, которое передает энергию на приемное устройство без какого-либо физического соединения. Приемное устройство извлекает энергию из магнитного поля и подает ее на электрическую нагрузку. Поэтому для преобразования электричества в электромагнитное поле в качестве катушки передатчика и приемной катушки используются две намотанные из проводов катушки. Катушка передатчика питается переменным током и создает магнитное поле, которое в дальнейшем преобразуется в полезное напряжение на катушке приемника. В этом примере мы создадим базовую цепь беспроводного передатчика с низким энергопотреблением для зажигания светодиода.
Схема для беспроводной передачи электроэнергии для свечения светодиода проста, и ее можно увидеть на следующем изображении. Она состоит из двух частей: передатчика и приемника.
На стороне передатчика катушка подключена через коллектор транзистора, 17 обмоток с обеих сторон. И приемник построен с использованием трех компонентов – транзистора, резистора и катушки индуктивности с воздушным сердечником с центральным ответвлением или медной катушки. Сторона приемника имеет светодиод, подключенный через 34 витка медной катушки. Здесь используется транзистор NPN, можно взять, например, BC547.
Катушка является важной частью беспроводной передачи энергии и должна быть аккуратно собрана. В этом проекте катушки сделаны с использованием медной проволоки 29AWG. Формирование катушки с центральным ответвлением выполняется на стороне передатчика. Для намотки катушки требуется цилиндрический объект, например, трубка из ПВХ или пластмассовая банка.
Для передатчика намотайте провод до 17 витков, затем организуйте петлю для подключения центрального ответвления и снова сделайте 17 витков катушки. А для приемника сделайте 34 витка обмотки катушки без центрального ответвления.
Обе схемы в данном случае реализованы на макетных платах и питаются от батареи 1,5 В. Цепь не может использоваться для источника питания более 1,5 В, так как транзистор может нагреваться с чрезмерным рассеиванием мощности.
В секции передатчика транзистор генерирует высокочастотный переменный ток через катушку, а катушка создает вокруг нее магнитное поле. Поскольку катушка повернута по центру, две стороны катушки начинают заряжаться. Одна сторона катушки соединена с резистором, а другая сторона соединена с выводом коллектора NPN-транзистора. Во время состояния зарядки базовый резистор начинает проводить, что в конечном итоге включает транзистор. Затем транзистор разряжает индуктор, когда эмиттер соединен с землей. Эта зарядка и разрядка индуктора создает очень высокочастотный сигнал колебаний, который затем передается в виде магнитного поля.
Со стороны приемника это магнитное поле передается в другую катушку, и по закону индукции Фарадея, катушка приемника начинает генерировать напряжение ЭДС, которое дополнительно используется для свечения светодиода.
Эта небольшая схема может работать должным образом, но имеет огромное ограничение. Эта схема не подходит для передачи высокой мощности и имеет ограничение по входному напряжению. КПД тоже очень низкий. Чтобы преодолеть это ограничение, могут быть организованы двухтактные топологии с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Однако для большей эффективности лучше использовать надлежащие микросхемы драйверов беспроводной передачи. Чтобы улучшить дальность передачи, правильно намотайте катушку и увеличьте количество витков в катушке.
© digitrode.ru
История
Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.
В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.
Микроволны
Микроволны — специальные линии, имеющие длину в 12 сантиметров и частоту в 2,45 гигагерц, которые прозрачны для атмосферы. Вне зависимости от погоды, потеря энергии будет равна 5%. Вначале необходимо преобразование электротока в микроволны, потом их обнаруживание и возвращение в первое состояние. Первая проблема была решена благодаря постановке магнетрона, а вторая — благодаря ректенны или специальной антенны.
Вам это будет интересно Все об скважности сигнала
Микроволновая передача энергии
Магнетизм
Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.
Так появляется магнетизм
Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.
Магнитная индукция
Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.
Видео: как происходит беспроводная передача электричества
Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.
Электрический трансформатор
Делаем беспроводную передачу электроэнергии
Человечество стремиться к полному отказу от проводов, ведь по мнению многих они ограничивают возможности и не позволяют действовать полностью свободно. А что если бы было возможно поступить так в случае передачи электроэнергии? Ответ на этот вопрос можете узнать в данном обзоре, который посвящен видеоролику по изготовлению самодельной конструкции, которая в малых размерах представляет возможности передачи электроэнергии без прямого подключения проводов.
Начнем с просмотра авторского видеоролика
Нам понадобится: — медный провод небольшого диаметра длиной 7 м; — цилиндр диаметром 4 см; — пальчиковая батарейка; — коробка для батарейки; — резистор 10 Ом; — транзистор C2482; — светодиод.
Берем провод длиной 4 метра и сгибаем его вдвое, чтобы с одного конца осталось два проводка, а другого конца – согнутая часть.
Берем за один проводок подгибаем его в любую сторону и начинаем наматывать на цилиндр.
Дойдя до середины, сдвоенный проводок оставляем тоже в любую сторону и продолжаем наматывать пока не останется небольшой кусок, который также нужно оставить.
Полученное кольцо с тремя концами необходимо снять с цилиндра и закрепить изоляционной лентой.
Теперь берем второй отрезок проводка длиной в 3 м и наматываем обычным способом. То есть в этом случае нам нужно получить не три конца, как в случае прошлого наматывания, а – два.
Полученное кольцо опять закрепляем изолентой.
Кончики проволоки нужно обязательно зачистить, ведь она покрыта защитным слоем лака.
Чтобы упростить процесс сборки самоделки, представляем вашему вниманию авторскую схему подключения.
На схеме видно, что катушка с тремя выходами предназначена для подключения источника питания резистора и транзистора, а на вторую катушку, на которой есть два конца, нужно прикрепить светодиод.
Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Мощностная муфта
Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.
Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.
Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности
Технология
Принцип индуктивной связи
Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью. Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.
Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.
Концепция резонанса индуктивной связи
Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.
Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.
Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м [10] . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.
Плюсы и минусы
Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.
К достоинствам относятся:
- Полное отсутствие проводов;
- Не нужны источники питания;
- Необходимость батареи упраздняется;
- Более эффективно передается энергия;
- Значительно меньше нужно технического обслуживания.
К недостаткам же можно отнести следующее:
- Расстояние ограничено;
- магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
- беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
- высокая стоимость монтажа.
