شارژر وایرلس چگونه کار می‌کند؟
حتی اگر محیط خود را به بهترین شکل ممکن سازمان‌دهی کنید، احتمالاً باز هم چند سیم برق گرد و خاکی در اطراف خانه‌ی شما وجود دارد. حتی ممکن است مجبور شده باشید یک سیم خاص را به شکل غیر زیبایی به پریز رسانده باشید، به این امید که جایگاه کافی برای وصل شارژرهای دستگاه‌های مختلف که از قضا با سیم‌هایی کوتاه همراه شده‌اند، پیدا کنید. در حالت کلی این سیم‌های درهم‌تنیده اگرچه زندگی مردم را آسان‌تر کرده‌اند اما می‌توانند به معنی واقعی کلمه به‌هم‌ریختگی ایجاد کنند. به همین دلیل هم انواع شارژر وایرلس با تکنولوژی‌های جالبی که دارند، وارد بازار شدند، تا شما را از تمام این بهم‌ریختگی‌ها نجات دهند. اما تا به حال به این موضوع فکر کرده‌اید که شارژر وایرلس یا بی‌سیم چگونه کار می‌کند؟
تاریخچه‌ی انتقال الکتریسیته به شکل وایرلس (شارژر وایرلس)
جالب است بدانید اگرچه در نگاه اول این ایده ممکن است آینده‌نگرانه به نظر برسد اما ابدا جدید نیست! نیکولا تسلا در اواخر دهه ۱۸۰۰ و اوایل دهه‌ی ۱۹۰۰ تئوری‌هایی در زمینه‌ی انتقال انرژی به صورت بی‌سیم به جامعه ارائه کرد که یکی از دیدنی‌ترین نمایش‌های او برق‌رسانی از راه دور (رعدبرق‌های مصنوعی با قابلیت تخلیه‌ی الکتریکی تا میلیون‌ها ولت) در آزمایشگاه او در کلرادو اسپرینگز بود. اگرچه کار تسلا بسیار چشمگیر بود، اما بلافاصله به روش‌های گسترده و عملی‌ای برای انتقال برق به شکل بی‌سیم منجر نشد. از آن زمان تا به امروز، محققان چندین تکنیک مختلف را برای انتقال برق در فواصل طولانی بدون استفاده از سیم را توسعه داده‌اند. برخی تنها به عنوان نظریه یا نمونه‌ی اولیه باقی مانده‌اند، اما برخی دیگر امروزه در کنار شما هستند مانند مسواک برقی‌ای که احتمالاً هر روز از آن استفاده می‌کنید.
امواج رادیویی از جنس انرژی هستند و مردم هر روزه از آن‌ها برای ارسال و دریافت سیگنال‌های تلفن همراه، تلویزیون، رادیو و وای‌فای استفاده می‌کنند.
امروزه انتقال بی‌سیم انرژی در بسیاری از نقاط جهان به موضوعی رایج تبدیل شده است. امواج رادیویی از جنس انرژی هستند و مردم هر روزه از آن‌ها برای ارسال و دریافت سیگنال‌های تلفن همراه، تلویزیون، رادیو و وای‌فای استفاده می‌کنند. به طور کلی امواج رادیویی این قابلیت را دارند که در همه‌ی جهات پخش شوند و به آنتن‌هایی که با فرکانس متناسب با امواج تنظیم شده‌اند، جذب شوند.
۱. شارژ دستگاه به روش جفت‌شدگی القائی (Inductive Coupling)
به منظور درک عملکرد انتقال الکتریسیته به روش جفت‌شدگی القایی توضیحات را با توصیف مسواک برقی جلو می‌بریم. به طور کلی پایه و دسته‌ی مسواک برقی حاوی سیم‌پیچ‌هایی است که به باتری اجازه‌ی شارژ مجدد می‌دهد. این قضیه طی فرآیند جفت‌شدگی القایی صورت می‌گیرد که در آن از میدان‌های مغناطیسی‌ای استفاده می‌شود که به شکل طبیعی از حرکت جریان الکتریسیته در درون سیم‌پیچ تولید می‌شود.
هر زمان که جریان الکتریکی از سیم‌پیچ عبور می‌کند، میدان مغناطیسی به شکل دایره‌ای در اطراف سیم‌پیچ ایجاد می‌شود. در همین راستا افزایش سیم‌های خمیده در اطراف هسته‌ی سیم‌پیچ، میدان مغناطیسی را تقویت می‌کند. بنابراین هرچه حلقه‌های سیم‌پیچ بیشتر باشند، میدان مغناطیسی بزرگتر خواهد شد! اگر سیم‌پیچ دومی (در دسته‌ی مسواک) در میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط سیم‌پیچ اول (در پایه‌ی مسواک یا همان شارژر) قرار گیرد، میدان مغناطیسی اولی می‌تواند جریان الکتریکی را در سیم‌پیچ دومی القا کند، و به این ترتیب مسواک برقی شارژ می‌شود.
شارژ مسواک برقی به روش جفت‌شدگی القائی (شارژر وایرلس)
- جریان الکتریکی از طریق سیم‌پیچ داخل شارژر جریان پیدا می‌کند و به طبع آن میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ ایجاد می‌شود.
- هنگامی که مسواک خود را در شارژر قرار می‌دهید، میدان مغناطیسی جریانی را در سیم‌پیچ دوم القا می‌کند که به باتری متصل است.
- این جریان باتری مسواک برقی را شارژ می‌کند.
به طور کلی از همین اصل برای شارژ مجدد سایر دستگاه‌ها و گجت‌ها با استفاده از انواع شارژر وایرلس هم استفاده می‌شود. البته روش‌های دیگری هم برای انتقال الکتریسیته در فواصل طولانی‌تر وجود دارد که در بخش بعدی به آن خواهیم پرداخت.
۲. شارژ دستگاه‌ها به روش رزونانسی یا تشدیدی (Resonance and Wireless Power)
دستگاه‌های خانگی میدان‌های مغناطیسی نسبتاً کوچکی تولید می‌کنند. به همین دلیل هم شارژرهایی که در فاصله‌ی زیادی نسبت به دستگاه مادر قرار می‌گیرند نمی‌توانند به روش القائی شارژ شوند، چراکه همانطور که دیدید برای شارژ به روش جفت‌شدگی القائی نیاز است که سیم‌پیچ شارژر و دستگاه مادر به هم نزدیک باشند. البته ممکن است به ذهن شما خطور کند که چرا از میدان‌هایی بزرگتر و قوی‌تر برای القای جریان در دستگاه‌هایی که از هم دور هستند، استفاده نمی‌شود که در پاسخ باید گفت، چنین فرآیندی کارآمدی لازم را ندارد؛ درواقع از آنجایی که یک میدان مغناطیسی در همه جهات پخش می‌شود، بزرگتر کردن آن می‌تواند انرژی زیادی را هدر دهد به همین علت هم عملا بهره‌وری کمی خواهد داشت.
با این حال، در نوامبر ۲۰۰۶، محققان MIT گزارش دادند که روشی کارآمد برای انتقال جریان الکتریکی بین سیم‌پیچ‌هایی که در فاصله‌ی چند متری از هم قرار دارند، طراحی کرده‌اند. این تیم به رهبری مارین سولیاسیچ «Marin Soljacic» این نظریه را مطرح کردند که می‌توان با افزودن پارامتر رزونانس «resonance» به معادلات مربوط به انتقال جریان، فاصله‌ی بین سیم‌پیچ‌ها را افزایش داد و شارژر وایرلس از نوع رزونانسی داشت. اما رزونانس یا تشدید دقیقا چیست؟
یک راه خوب برای درک پدیده‌ی تشدید نگاه به آن از منظر صوت است. ساختار فیزیکی یک شی، به عنوان مثال اندازه و شکل شیپور، می‌تواند عاملی برای تعیین فرکانس ارتعاش طبیعی آن وسیله باشد. این فرکانس ارتعاشات طبیعی به زبان فنی فرکانس رزونانسی « resonant frequency» یا فرکانس تشدیدی آن وسیله نامیده می‌شود. در حالت کلی ارتعاش یا به صدا در آوردن اجسام (مانند شیپور) در فرکانس رزونانسی آن‌ها آسان است اما وادار کردن جسم به ارتعاش در فرکانس‌های دیگر می‌تواند دشوار باشد. به همین دلیل هم نواختن ترومپت می‌تواند عاملی برای لرزش سایر ترومپت‌های نزدیک شما شود، چراکه همه‌ی ترومپت‌ها با توجه به شکل و ساختار مشابه‌ای که دارند، فرکانس تشدید یکسانی هم دارند.
تحقیقات در MIT نشان می‌دهد که اگر میدان‌های الکترومغناطیسی اطراف سیم‌پیچ‌ها با فرکانس یکسانی تشدید شوند، عملیات القا جریان الکتریکی می‌تواند با کمی تفاوت به شکلی بهینه انجام شود. در این تئوری از سیم‌پیچی منحنی شکل به عنوان یک سلف استفاده می‌شود، سپس یک خازن صفحه‌ای که این قابلیت را دارد که شارژ الکتریکی را نگه دارد، به هر دو انتهای سیم‌پیچ متصل می‌شود. با عبور الکتریسیته از این سیم‌پیچ، سلف شروع به لرزش (تشدید) می‌کند. همانطور که مشخص است، فرکانس تشدید یا رزونانسی (حرکات لرزشی) این سیستم حاصل از القای سیم‌پیچ و خازن صفحه‌ای است.
همانند مسواک برقی، این رهیافت هم به دو سیم‌پیچ مستقل متکی است. الکتریسیته که در امتداد یک موج الکترومغناطیسی حرکت می‌کند، می‌تواند از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر تونل بزند، تا هر دو به فرکانس تشدید یکسانی برسند.
همانند مسواک برقی، این رهیافت هم به دو سیم‌پیچ مستقل متکی است. الکتریسیته که در امتداد یک موج الکترومغناطیسی حرکت می‌کند، می‌تواند از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر تونل بزند، تا هر دو به فرکانس تشدید یکسانی برسند. این اتفاق دقیقا مشابه به موردی است که در آن فرکانس رزونانسی یک ترومپت می‌تواند باعث ارتعاش ترومپت‌های دیگر شود. تا زمانی که هر دو سیم‌پیچ خارج از محدوده‌ی یکدیگر باشند، هیچ اتفاقی نمی‌افتد، زیرا میدان‌های اطراف سیم‌پیچ‌ها به اندازه‌ی کافی قوی نیستند که روی هم تأثیر زیادی بگذارند. به طور مشابه، اگر دو سیم‌پیچ در فرکانس‌های رزونانسی مختلفی به لرزه در آیند، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. اما اگر دو سیم‌پیچ رزونانسی با فرکانس‌هایی یکسان در چند متری یکدیگر قرار گیرند، جریان انرژی از سیم‌پیچ فرستنده به سیم‌پیچ گیرنده حرکت می‌کند.
بر اساس این رهیافت یک سیم‌پیچ می‌تواند هر وسیله‌ای را که در محدوده‌ی آن قرار دارد شارژ کند، به شرطی که سیم‌پیچ‌ها فرکانس تشدید یکسانی داشته باشند.
جالب است بدانید که طبق این رهیافت یک سیم‌پیچ حتی می‌تواند الکتریسیته را به چندین وسیله‌ی گیرنده ارسال کند، به شرطی که همه آن‌ها در یک فرکانس رزونانسی باشند. محققان این روش را به نام انتقال انرژی غیر‌تشعشعی «non-radiative energy transfer» در نظر می‌گیرند، زیرا شامل میدان‌های ثابت در اطراف سیم‌پیچ‌ها می‌شود و با میدان‌هایی که در همه‌ی جهات پخش می‌شود، سروکاری ندارد.
۳. ایده‌هایی برای شارژ بی‌سیم در فواصل بسیار زیاد
چه شارژر وایرلس از نوع القائی و چه روش رزونانس را برای شارژ لوازم برقی خود در نظر داشته باشید، به‌طور کلی این دو روش در فواصل بسیار بسیار طولانی جوابگو نیستند؛ چراکه در مواردی نیاز است تا انتقال الکتریسیته در فواصلی به اندازه‌ی مایل‌ها یا حتی در فواصلی به اندازه‌ی زمین تا فضا انجام شود!
در دهه ۱۹۸۰، مرکز تحقیقات ارتباطات کانادا یک هواپیمای کوچک ساخت که می‌توانست پرتوهای انرژی را از زمین خارج کند. به این معنی که این هواپیمای بدون سرنشین که (SHARP) «Stationary High Altitude Relay Platform» نامیده می‌شد، به عنوان یک رله‌ی (نوعی کلید الکتریکی سریع که با هدایت یک مدار الکتریکی دیگر باز و بسته می‌شود.) ارتباطی عمل می‌کرد. هواپیمای کوچک شارپ به جای پرواز از نقطه‌ای به نقطه دیگر، این قابلیت را داشت که به شکل دایره‌هایی به قطر دو کیلومتر و در ارتفاع حدود ۱۳ مایلی (۲۱ کیلومتری) پرواز کند. بخش مهم‌تر این ماجرا این بود که این هواپیما می‌توانست تا ما‌‌ه‌ها پرواز به این شکل را ادامه دهد!
آنتن‌های یکسوساز در بسیاری از روش‌های انتقال برق به شکل بی‌سیم نقش اساسی دارند. این آنتن‌ها معمولاً از آرایه‌هایی از آنتن‌های دوقطبی ساخته می‌شوند که دارای قطب‌های مثبت و منفی هستند.
راز زمان طولانی پرواز شارپ در وجود یک فرستنده‌ی بزرگ امواج مایکروویو در زمین بود. مسیر پرواز دایره‌ای این هواپیما آن را در محدوده‌ی این فرستنده نگه می‌داشت. از طرفی یک آنتن یکسوساز بزرگ به شکل دیسک درست در پشت بال‌های هواپیما طراحی شده بود، که انرژی امواج مایکروویو حاصل از فرستنده را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کرد. به دلیل همین تعامل امواج مایکروویو با آنتن یکسوساز هم هواپیمای شارپ تا زمانی که در محدوده‌ی فرستنده‌ی فعال قرار داشت، به منبع تغذیه ثابتی دسترسی داشت. آنتن‌های یکسوساز در بسیاری از روش‌های انتقال برق به شکل بی‌سیم نقش اساسی دارند. این آنتن‌ها معمولاً از آرایه‌هایی از آنتن‌های دوقطبی ساخته می‌شوند که دارای قطب‌های مثبت و منفی هستند و به دیودهای نیمه هادی متصل می‌شوند. در حالت کلی اتفاقاتی که با استفاده از این آنتن‌ها رخ می‌دهد به شرح زیر است:
- امواج مایکروویو که بخشی از طیف الکترومغناطیسی هستند به آنتن‌های دوقطبی می‌رسند.
- آنتن ها انرژی امواج مایکروویو را جمع آوری و به دیودها منتقل می‌کنند.
- همانطور که احتمالا در جریان هستید دیودها مانند کلیدهایی یک‌طرفه‌ای هستند که باز یا بسته می‌شوند و همچون ترانزیستورها به الکترون‌ها اجازه می‌دهند تا فقط در یک جهت جریان داشته باشند. بنابراین این دیودها قابلیت این را دارند که الکترون‌ها را به مدار آنتن‌های یکسوساز هدایت کنند.
- مدار جاری الکترون‌ها را به بخش‌هایی از سیستم‌ها که به آن‌ها نیاز است، هدایت می‌کند.
سایر ایده‌های انتقال انرژی با برد طولانی‌تر هم به همین آنتن‌های یکسوساز متکی است. در این میان استفاده از امواج مایکروویو برای انتقال الکتریسیته از نیروگاه‌های خورشیدی در ماه به زمین هم پیشنهاد شده است! به این ترتیب که ده‌ها هزار گیرنده بر روی زمین این انرژی را جذب و آنتن‌های یکسوساز آن را به الکتریسیته تبدیل کنند.
امواج مایکروویوها به راحتی می‌توانند از اتمسفر عبور کنند و آنتن‌ها می‌توانند امواج مایکروویو را به شکل بسیار کارآمدی به الکتریسیته تبدیل کنند. علاوه بر این، آنتن‌های یکسوساز زمین می‌توانند در چارچوبی مشبکی ساخته شوند که به خورشید و باران اجازه‌ی رسیدن به زمین را دهد و اثرات زیست‌محیطی را به حداقل برسانند. در کنار تمام مزایایی که این ایده‌ها دارند با معایبی هم همراه هستند که از جمله آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- نیروگاه های خورشیدی روی ماه نیاز به نظارت و نگهداری دارند. به عبارت دیگر، این پروژه به پایگاه‌هایی در ماه با خدمه‌ای ثابت نیاز دارد.
- تنها بخش خاصی از زمین در هر زمان مشخص دارای خط دید مستقیم به ماه است. بنابراین به منظور اطمینان از اینکه کل سیاره منبع تغذیه‌ای ثابت دارد، شبکه‌ای از ماهواره‌ها باید امواج مایکروویو را هدایت کنند!
- بسیاری از مردم در برابر این ایده که دائماً در امواج مایکروویو غرق باشند مقاومت دارند، حتی اگر خطر نسبتاً کمی داشته باشد.
اگرچه دانشمندان نمونه‌های اولیه هواپیماهایی را ساخته‌اند که با نیروی بی‌سیم کار می‌کنند، کاربردهای مقیاس بزرگتر، مانند ایستگاه‌های برق روی ماه، هنوز در حد تئوری هستند. با این حال، با ادامه رشد جمعیت زمین، تقاضا برای الکتریسیته به شدت بالا خواهد رفت، بنابراین به زودی بحث‌های مربوط به تولید الکتریسیته به صورت بی‌سیم ممکن است به جای یک ایده‌ی جالب، به یک ضرورت تبدیل شود.
منبع: howstuffworks
عالی بود؛ ممنون