Metódy bezdrôtového prenosu elektriny. Bezdrôtový prenos elektriny podľa Teslovej teórie

Domáce spotrebiče na nehmotný pohon, zbavené elektrických drôtov, nie sú prvýkrát, čo vzrušuje mysle vynálezcov. Ale práve teraz prišli odborníci, aby naučili sériové vysávače, podlahové svietidlá, televízory, autá, implantáty, mobilné roboty a notebooky efektívne a bezpečne prijímať prúd z bezdrôtového zdroja.

Nedávno tím vedcov z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) pod vedením Marina Soljačica urobil ďalší krok k premene bezdrôtovej elektrickej technológie z laboratórneho „fokusu“ na technológiu vhodnú na replikáciu. Celkom nečakane objavili efekt, ktorý umožňuje zvýšiť účinnosť prenosu. Ale predtým, ako hovoríme o novom experimente, stojí za to urobiť odbočku.

V tomto prípade sa ako nosič energie používa blízke magnetické pole, ktoré osciluje s vysokou frekvenciou niekoľkých megahertzov. Prenos vyžaduje dve magnetické cievky naladené na rovnakú rezonančnú frekvenciu. Vedci prirovnávajú prenos energie medzi nimi k zničeniu rezonujúceho skleneného pohára, keď „počuje“ zvuk presne definovanej frekvencie.

Idealizované (na tomto obrázku) magnetické cievky (žlté), obklopené svojimi poľami (červená a modrá), si navzájom prenášajú energiu na vzdialenosť D, ktorá je mnohonásobne väčšia ako veľkosť samotných cievok. To je to, čo vedci nazývajú rezonančná magnetická väzba (alebo väzba) - Resonant Magnetic Coupling (ilustrácia WiTricity).

V dôsledku interakcie cievok sa získa to, čo sa nazývalo „bezdrôtová elektrina“ (WiTricity). Mimochodom, toto slovo je ochrannou známkou, ktorá patrí rovnomennej korporácii, ktorú založil Soljachich a množstvo jeho kolegov z MIT. Spoločnosť uvádza, že tento výraz sa vzťahuje iba na jej technológiu a produkty na nej založené. Veľkou požiadavkou je nepoužívať „whitecity“ ako synonymum pre bezdrôtový prenos energie vo všeobecnosti.

Vynálezcovia tiež žiadajú nezamieňať si WiTricity s prenosom energie prostredníctvom elektromagnetických vĺn: hovoria, že nová metóda je „nežiarivá“.

A ešte niekoľko dôležitých „nie“ naznačených tvorcami. WiTricity nie je analógom transformátora s vinutiami oddelenými niekoľko metrov (ten v tomto prípade prestane fungovať). Nejde o vylepšenú elektrickú zubnú kefku: hoci sa dá nabíjať bez elektrického kontaktu, stále si vyžaduje umiestnenie do „dokovacej stanice“, aby sa vysielacie a prijímacie indukčné cievky priblížili k sebe na milimeter. Whitecity nie je mikrovlnka schopná vyprážať živý predmet, pretože pulzujúce magnetické pole pôsobiace v systéme WiTricity neovplyvňuje človeka. Napokon, „bezdrôtová elektrina“ nie je ani „tajomná a strašná“ Teslova veža (Wardenclyffe Tower), s ktorou chcel veľký vynálezca demonštrovať prenos energie na veľkú vzdialenosť.

Marin a jeho kolegovia vykonali prvé skúsenosti s bezdrôtovým prenosom energie pomocou metódy WiTricity do 60-wattovej žiarovky vzdialenej viac ako dva metre od zdroja v roku 2007. Účinnosť bola nízka – okolo 40 %, no už vtedy vynálezcovia poukazovali na hmatateľné plus novinky – bezpečnosť.

Pole aplikované v systéme je 10-tisíckrát slabšie ako to, ktoré vládne v jadre skenera magnetickej rezonancie. Takže ani živé organizmy, ani lekárske implantáty, ani kardiostimulátory a iné citlivé zariadenia tohto druhu, ani spotrebná elektronika nepocítia vplyv tohto poľa.

Hlavnými autormi WiTricity sú Marin Soljacic (vľavo), Aristeidis Karalis a John Joannopoulos. Vpravo: Schematický diagram WiTricity. Cievka vysielača (vľavo) je zapojená do zásuvky. Recepcia - napojená na spotrebiteľa. Magnetické siločiary prvej cievky (modré) sú schopné obísť relatívne malé vodivé prekážky (a vôbec nevnímajú drevo, látku, sklo, betón ani človeka), úspešne transportujú energiu (žlté čiary) k prijímacej jednotke. prsteň (foto MIT / Donna Coveney, ilustrácia WiTricity).

Teraz Soljacic a jeho spolupracovníci zistili, že účinnosť systému WiTricity je ovplyvnená nielen veľkosťou, geometriou a vyladením cievok, ako aj vzdialenosťou medzi nimi, ale aj počtom spotrebiteľov. Paradoxne však na prvý pohľad dve prijímacie zariadenia umiestnené vo vzdialenosti 1,6 až 2,7 metra na oboch stranách vysielacej „antény“ vykazovali o 10 % lepšiu účinnosť, ako keby sa spojenie realizovalo len medzi jedným zdrojom a spotrebiteľom, keďže bol prípad predchádzajúcich experimentov.

Okrem toho sa zlepšenie sledovalo bez ohľadu na to, aká bola účinnosť pre páry vysielač-prijímač oddelene. Vedci naznačili, že s ďalším pridávaním nových spotrebiteľov sa účinnosť ešte zvýši, aj keď zatiaľ nie je jasné, o koľko. (Podrobnosti experimentu sú uvedené v Applied Physics Letters.)

Vysielacia cievka v novom experimente mala plochu 1 meter štvorcový a každá prijímacia cievka mala len 0,07 m2. A to je tiež zaujímavé: objemnosť „prijímačov“ v predchádzajúcich experimentoch spochybnila túžbu výrobcov technológií dodávať svojim zariadeniam takéto systémy – sotva by ste chceli samonabíjací notebook, ktorého blok WiTricity je porovnateľný v veľkosť k samotnému počítaču.

Vľavo: 1 - špeciálny obvod premieňa obyčajný striedavý prúd na vysokofrekvenčný, napája vysielaciu cievku, ktorá vytvára oscilačné magnetické pole. 2 - prijímacia cievka v spotrebiteľskom zariadení musí byť naladená na rovnakú frekvenciu. 3 - rezonančné spojenie medzi cievkami premení magnetické pole späť na elektrický prúd, ktorý napája žiarovku.
Vpravo: Podľa autorov systému môže jediná cievka na strope zásobovať energiou všetky zariadenia a zariadenia v miestnosti – od niekoľkých lámp a televízora až po notebook a DVD prehrávač (ilustrovaný WiTricity).

Ale hlavné je, že efekt zlepšenia celkovej efektivity pri práci s viacerými spotrebiteľmi znamená zelenú pre Soljachichov modrý sen – dom naplnený najrôznejšími spotrebičmi poháňanými neviditeľnými „nežiariacimi žiaričmi“ ukrytými v stropoch či stenách. miestností.

Alebo možno nielen v izbách, ale aj v garáži? Elektromobil samozrejme môžete nabíjať bežným spôsobom. Krása WiTricity je však v tom, že nemusíte nikde nič pripájať a dokonca si to pamätajte - teoreticky sa auto samotné môže naučiť po príchode do garáže (alebo na parkovisko spoločnosti) poslať „žiadosť“ a napájajte batériu z magnetickej cievky umiestnenej v podlahe.

Mimochodom, v niektorých experimentoch špecialisti z WiTricity zvýšili vysielací výkon na tri kilowatty (a začali sme, spomínam, so 60-wattovou žiarovkou). Účinnosť sa líši v závislosti od celého súboru parametrov, ale podľa spoločnosti môže pri dostatočne tesných cievkach prekročiť 95%.

Nie je ťažké uhádnuť, že sľubná metóda prenosu elektriny niekoľko metrov bez drôtov a potreba nasmerovať nejaký druh „elektrických lúčov“ by mala byť zaujímavá pre široké spektrum spoločností. Niektorí už v tomto smere pracujú sami.

Napríklad, vychádzajúc z princípov odôvodnených a testovaných Soljacicom a jeho kolegami, Intel teraz vyvíja svoju modifikáciu rezonančného prenosu energie – Wireless Resonant Energy Link (WREL). Už v roku 2008 dosiahla spoločnosť v tejto oblasti skvelý výsledok, keď preukázala „magnetický“ prenos prúdu s účinnosťou 75 %.

Jeden z prototypov Intel WREL, ktorý bezdrôtovo prenáša energiu (spolu so zvukovým signálom) z MP3 prehrávača do malého reproduktora (foto z gizmodo.com).

Vlastné experimenty, reprodukujúce experimenty fyzikov z Massachusettského technologického inštitútu, teraz pripravuje Sony.

Soljacic je však presvedčený, že jeho inovácia sa medzi produktmi konkurentov nestratí. Boli to predsa len objavitelia technológie, ktorí do nej najviac napchali šišky a sú pripravení na jej hĺbkové štúdium a zdokonaľovanie. Povedzme, že nastavenie ani dvojice cievok nie je také jednoduché, ako sa na prvý pohľad zdá. Vedec robil experimenty v laboratóriu niekoľko rokov po sebe, kým zostrojil systém, ktorý funguje naozaj spoľahlivo.

Ukážka LCD obrazovky poháňanej prvým prototypom súpravy WiTricity pre domácnosť. Vysielacia cievka je na podlahe, prijímacia cievka na stole (foto WiTricity).

„Wireless Electricity“ bola podľa jej autorov pôvodne koncipovaná ako OEM produkt. V budúcnosti preto môžeme očakávať výskyt tejto technológie aj v produktoch iných spoločností.

A skúšobný balón smerom k potenciálnym spotrebiteľom už bol spustený. V januári na veľtrhu CES 2010 v Las Vegas čínska spoločnosť Haier ukázala prvý plne bezdrôtový HDTV televízor na svete. Vzduchom sa na jeho obrazovku prenášal nielen obrazový signál z prehrávača (na čo sa oficiálne zrodil štandard Wireless Home Digital Interface, ktorý sa oficiálne zrodil len o mesiac skôr), ale aj napájanie. To posledné zabezpečila práve technológia WiTricity.

A Soljachichova firma rokuje s výrobcami nábytku o inštalácii cievok do stolov a stien skriniek. Oznámenie prvého sériového produktu od partnera WiTricity sa očakáva do konca roka 2010.

Vo všeobecnosti odborníci predpovedajú výskyt skutočných bestsellerov na trhu - nových produktov so vstavaným prijímačom WiTricity. A nikto zatiaľ nevie s určitosťou povedať, o aké veci pôjde.

Haier je jedným z najväčších svetových výrobcov spotrebnej elektroniky. Nie je prekvapujúce, že jeho inžinieri sa začali zaujímať o možnosť kombinácie najnovších technológií pre bezdrôtový prenos HDTV signálu a bezdrôtového napájania a dokonca sa im podarilo ako prvým ukázať takéto zariadenie v akcii (fotografie engadget.com, gizmodo. com).

Je zvláštne, že história WiTricity sa začala pred niekoľkými rokmi sériou nešťastných prebudení od Marina. Niekoľkokrát v priebehu mesiaca ho zobudil signál vybitého telefónu s prosbou o „jedlo“. Vedec, ktorý zabudol včas zapojiť mobil do zásuvky, zostal prekvapený: nie je smiešne, že sa telefón nachádza pár metrov od elektrickej siete, no nie je schopný túto energiu prijímať. Po ďalšom prebudení o tretej ráno si Soljacic pomyslel: bolo by skvelé, keby sa telefón dokázal sám postarať o nabíjanie.

Všimnite si, že sme hneď nehovorili o novej verzii „koberčekov“ na nabíjanie vreckových zariadení. Takéto systémy fungujú iba vtedy, ak je zariadenie umiestnené priamo na „podložke“, a to nie je pre zábudlivcov o nič lepšie ako potreba jednoducho zapojiť káble do zásuvky. Nie, telefón musel prijímať elektrinu kdekoľvek v miestnosti alebo dokonca v byte a je jedno, či ste ho nechali na stole, pohovke alebo okennom parapete.

Tu zvyčajná elektromagnetická indukcia, riadené mikrovlnné lúče a „opatrné“ infračervené lasery neboli vhodné. Marin začal hľadať iné možnosti. Sotva si vtedy mohol myslieť, že po chvíli ho pípajúci a „hladný“ telefón privedie k vytvoreniu vlastnej spoločnosti a objaveniu sa technológie, ktorá by sa mohla „dostať na titulky“, a čo je dôležitejšie, zaujať priemyselných partnerov.

Dodajme, že o princípoch, histórii a budúcnosti WiTricity kedysi dosť podrobne hovoril výkonný riaditeľ korporácie Eric Giler.

Jedná sa o jednoduchý obvod, ktorý dokáže napájať žiarovku bez akýchkoľvek káblov na vzdialenosť takmer 2,5 cm! Tento obvod funguje ako zosilňovací konvertor aj ako bezdrôtový vysielač a prijímač. Vyrába sa veľmi jednoducho a ak sa zdokonalí, dá sa použiť rôznymi spôsobmi. Tak poďme na to!

Krok 1. Potrebné materiály a nástroje.

1. NPN tranzistor. Použil som 2N3904, ale môžete použiť akýkoľvek tranzistor NPN ako BC337, BC547 atď. (Akýkoľvek PNP tranzistor bude fungovať, len dávajte pozor na polaritu pripojení.)
2. Vinutie alebo izolovaný drôt. Asi 3-4 metre drôtu by mali stačiť (navíjacie drôty, len medené drôty s veľmi tenkou smaltovanou izoláciou). Drôty z väčšiny elektronických zariadení budú fungovať, ako sú transformátory, reproduktory, motory, relé atď.
3. Rezistor s odporom 1 kOhm. Tento odpor bude slúžiť na ochranu tranzistora pred vyhorením v prípade preťaženia alebo prehriatia. Môžete použiť vyššie hodnoty odporu až do 4-5 kΩ. Je možné nepoužívať rezistor, ale hrozí rýchlejšie vybitie batérie.
4. Dióda vyžarujúca svetlo. Použil som 2 mm ultra žiarivú bielu LED. Môžete použiť akúkoľvek LED. V skutočnosti je tu účelom LED len ukázať stav obvodu.
5. Batéria veľkosti AA, 1,5V. (Nepoužívajte vysokonapäťové batérie, pokiaľ nechcete poškodiť tranzistor.)

Požadované nástroje:

1) Nožnice alebo nôž.

2) Spájkovačka (voliteľné). Ak nemáte spájkovačku, môžete drôty jednoducho skrútiť. Robil som to, keď som nemal spájkovačku. Ak by ste si chceli obvod vyskúšať bez spájkovania, ste srdečne vítaní.

3) Zapaľovač (voliteľné). Zapaľovačom spálime izoláciu na drôte a následne pomocou nožníc alebo noža zoškrabeme zvyšnú izoláciu.

Krok 2: Pozrite si video, ako na to.

Krok 3: Krátke zopakovanie všetkých krokov.

Takže najprv musíte vziať drôty a vytvoriť cievku navinutím 30 otáčok okolo okrúhleho valcového predmetu. Nazvime túto cievku A. S rovnakým okrúhlym predmetom začnite vyrábať druhú cievku. Po navinutí 15. závitu vytvorte z drôtu vetvu vo forme slučky a potom naviňte ďalších 15 závitov na cievku. Takže teraz máte cievku s dvoma koncami a jednou vetvou. Nazvime túto cievku B. Na koncoch drôtov uviažte uzly, aby sa samé neodvíjali. Vypáľte izoláciu na koncoch drôtov a na vetve na oboch cievkach. Na odizolovanie môžete použiť aj nožnice alebo nôž. Uistite sa, že priemery a počet závitov oboch cievok sú rovnaké!

Zostavte vysielač: Vezmite tranzistor a umiestnite ho plochou stranou nahor a smerom k vám. Pin vľavo bude pripojený k emitoru, stredný kolík bude základný kolík a kolík vpravo bude pripojený ku kolektoru. Vezmite odpor a pripojte jeden z jeho koncov k základnej svorke tranzistora. Vezmite druhý koniec odporu a pripojte ho k jednému koncu (nie kohútiku) cievky B. Vezmite druhý koniec cievky B a pripojte ho ku kolektoru tranzistora. Ak chcete, môžete pripojiť malý kúsok drôtu k emitoru tranzistora (bude to fungovať ako predĺženie emitora.)

Nastavte prijímač. Ak chcete vytvoriť prijímač, vezmite cievku A a pripojte jej konce k rôznym kolíkom na vašej LED.

Máte plán!

Krok 4: Schematický diagram.

Tu vidíme schematický diagram nášho zapojenia. Ak nepoznáte niektoré symboly na diagrame, neznepokojujte sa. Všetko ukazujú nasledujúce obrázky.

Krok 5. Výkres zapojenia obvodov.

Tu vidíme vysvetľujúci nákres zapojenia nášho okruhu.

Krok 6. Použitie schémy.

Jednoducho zoberte vetvu cievky B a pripojte ju ku kladnému koncu batérie. Pripojte záporný pól batérie k emitoru tranzistora. Ak teraz priblížite cievku LED k cievke B, LED sa rozsvieti!

Krok 7. Ako je to vedecky vysvetlené?

(Pokúsim sa vysvetliť vedu tohto javu jednoduchými slovami a analógiami a viem, že sa môžem mýliť. Aby som tento jav správne vysvetlil, budem musieť ísť do všetkých detailov, ktorých nie som schopný urobiť, takže chcem len zovšeobecniť analógie na vysvetlenie schémy).

Vysielací obvod, ktorý sme práve vytvorili, je obvod oscilátora. Možno ste už počuli o takzvanom okruhu Joule Thief a nápadne sa podobá okruhu, ktorý sme vytvorili. Obvod Joule Thief berie energiu z 1,5 voltovej batérie, vydáva energiu pri vyššom napätí, ale s tisíckami intervalov medzi nimi. LED dióda potrebuje na rozsvietenie iba 3 volty, ale v tomto obvode sa môže dobre rozsvietiť s 1,5 voltovou batériou. Takže obvod Joule Thief je známy ako konvertor na zvýšenie napätia a tiež ako emitor. Obvod, ktorý sme vytvorili, je tiež emitor a menič na zvýšenie napätia. Môže však vzniknúť otázka: "Ako rozsvietiť LED z diaľky?" Je to spôsobené indukciou. Na tento účel môžete použiť napríklad transformátor. Štandardný transformátor má jadro na oboch stranách. Predpokladajme, že drôt na každej strane transformátora má rovnakú veľkosť. Keď elektrický prúd prechádza jednou cievkou, z cievok transformátora sa stanú elektromagnety. Ak cez cievku preteká striedavý prúd, dochádza k kolísaniu napätia pozdĺž sínusoidy. Preto, keď cez cievku preteká striedavý prúd, drôt nadobudne vlastnosti elektromagnetu a pri poklese napätia potom opäť elektromagnetizmus stratí. Cievka drôtu sa stáva elektromagnetom a potom stráca svoje elektromagnetické vlastnosti rovnakou rýchlosťou, akou sa magnet pohybuje z druhej cievky. Keď sa magnet rýchlo pohybuje cez cievku drôtu, generuje sa elektrina, takže oscilačné napätie jednej cievky na transformátore indukuje elektrinu v druhej cievke drôtu a elektrina sa prenáša z jednej cievky do druhej bez drôtov. V našom obvode je jadro cievky vzduch a cez prvú cievku prechádza striedavé napätie, čím vzniká napätie v druhej cievke a svietia žiarovky!!

Krok 8. Výhody a tipy na zlepšenie.

Takže v našom obvode sme práve použili LED na zobrazenie účinku obvodu. Ale mohli sme urobiť viac! Obvod prijímača získava elektrinu zo striedavého prúdu, takže ho môžeme použiť na rozsvietenie žiariviek! Našu schému môžete využiť aj na výrobu zaujímavých trikov, vtipných darčekov atď. Pre maximalizáciu výsledkov môžete experimentovať s priemerom cievok a počtom otáčok na cievkach. Môžete tiež skúsiť sploštiť cievky a uvidíte, čo sa stane! Možnosti sú nekonečné!!

Krok 9. Dôvody, prečo schéma nemusí fungovať.

S akými problémami sa môžete stretnúť a ako ich môžete vyriešiť:

1. Tranzistor je príliš horúci!

Riešenie: Použili ste odpor správnej veľkosti? Prvýkrát som nepoužil odpor a tranzistor začal dymiť. Ak to nepomôže, skúste použiť zmršťovacie zariadenie alebo použiť tranzistor vyššej triedy.

1. LED je vypnutá!

Riešenie: Dôvodov môže byť veľa. Najprv skontrolujte všetky pripojenia. Náhodne som vymenil základňu a kolektor v mojom zapojení a stal sa pre mňa veľkým problémom. Takže najprv skontrolujte všetky pripojenia. Ak máte zariadenie, ako je multimeter, môžete ho použiť na kontrolu všetkých pripojení. Tiež sa uistite, že obe cievky majú rovnaký priemer. Skontrolujte, či vo vašej sieti nie je skrat.

Nie som si vedomý žiadnych iných problémov. Ale ak sa s nimi stále stretávate, dajte mi vedieť! Pokúsim sa pomôcť akýmkoľvek spôsobom. Tiež som študent 9. ročníka a moje vedecké znalosti sú extrémne obmedzené, takže ak na mne nájdete nejaké chyby, dajte mi prosím vedieť. Návrhy na zlepšenie sú viac než vítané. Veľa šťastia s vaším projektom!

Ekológia spotreby. Technológia: Vedci z amerického výskumného laboratória Disney vyvinuli metódu bezdrôtového nabíjania, vďaka ktorej sú káble a nabíjačky nepotrebné.

Dnešné smartfóny, tablety, notebooky a iné prenosné zariadenia disponujú obrovským výkonom a výkonom. Ale okrem všetkých výhod mobilnej elektroniky má aj nevýhodu - neustálu potrebu nabíjania cez káble. Napriek všetkým novým technológiám batérií táto potreba znižuje pohodlie zariadení a obmedzuje ich pohyb.

Vedci z amerického Disney Research Laboratory našli riešenie tohto problému. Vyvinuli metódu bezdrôtového nabíjania, vďaka ktorej nie sú potrebné káble a nabíjačky. Navyše ich metóda umožňuje súčasne nabíjať nielen gadgety, ale napríklad aj domáce spotrebiče a osvetlenie.

"Naša inovatívna metóda robí elektrický prúd všadeprítomným ako Wi-Fi," hovorí jeden z riaditeľov laboratória a vedúci vedecký pracovník Alanson Semple. - Otvára cestu pre ďalší vývoj v oblasti robotiky, predtým limitovanej kapacitou batérie. Prevádzku závodu sme zatiaľ predvádzali v malej miestnosti, no nebránia tomu, aby sa jeho kapacita zvýšila na veľkosť skladu.“

Systém bezdrôtového prenosu energie bol vyvinutý už v 90. rokoch 19. storočia známym vedcom Nikolaom Teslom, ale vynález sa masovo nerozšíril. Dnešné bezdrôtové systémy na prenos energie fungujú predovšetkým v extrémne stiesnených priestoroch.

Metóda nazývaná kvázistatická rezonancia dutiny (QSCR) zahŕňa aplikáciu prúdu na steny, podlahu a strop miestnosti. Tie zase vytvárajú magnetické polia, ktoré pôsobia na prijímač pripojený k nabíjanému zariadeniu, ktorý obsahuje cievku. Takto vytvorená elektrina sa prenáša do batérie, ktorá predtým prešla cez kondenzátory, ktoré vylučujú vplyvy iných polí.

Testy ukázali, že týmto spôsobom je možné preniesť cez bežnú elektrickú sieť až 1,9 kilowattu výkonu. Táto energia vystačí na súčasné nabitie až 320 smartfónov. Navyše podľa vedcov táto technológia nie je drahá a jej komerčné uvedenie sa dá ľahko zabezpečiť.

Testy prebiehali v miestnosti s rozmermi 5 x 5 metrov, špeciálne vytvorenej z hliníkových konštrukcií. Semple zdôraznil, že kovové steny nemusia byť v budúcnosti potrebné. Bude možné použiť vodivé panely alebo špeciálnu farbu.

Vývojári ubezpečujú, že ich spôsob prenosu energie vzduchom nepredstavuje žiadnu hrozbu pre ľudské zdravie a žiadne iné živé bytosti. O ich bezpečnosť sa starajú diskrétne kondenzátory, ktoré fungujú ako izolant pre potenciálne nebezpečné elektrické polia. publikovaný

Pri pravidelnom prezeraní zahraničných úspechov v oblasti rádiového inžinierstva som narazil na dobré zariadenie na bezdrôtový prenos energie, vyrobené nie na niektorých vzácnych mikroobvodoch, ale celkom cenovo dostupné na vlastnú montáž. Úplnú dokumentáciu v angličtine si môžete stiahnuť z odkazu a tu uvediem zhrnutie v ruštine vrátane niektorých riešení obvodov.

Aktuálne cievky transceivera

Priebeh signálu

V príspevku je uvedených niekoľko podobných schém zapojenia, ktoré sa líšia iba napätím a výkonom. Ako energetickú „anténu“ používajú malé cievky z hrubého drôtu, tranzistory sú obyčajné výkonné poľné, takže si to všetko môžete zostaviť sami.

Hneď vás upozorníme - nejde o prenos energie na mnoho metrov, takéto zariadenia sú vhodnejšie pre iné podobné zariadenia, kde je vzdialenosť niekoľko centimetrov. Ale výkon, ktorý „letí“ vzduchom, dosahuje 100 wattov!

Princíp fungovania

Rezonančný menič zvyčajne pracuje s konštantnou pracovnou frekvenciou, ktorá je určená rezonančnou frekvenciou LC obvodu. Akonáhle sa do obvodu privedie jednosmerné napätie, začne sa generovať pomocou tranzistorov. Druh multivibrátora s fázovým posunom o 180 °. Tranzistory striedavo pripájajú konce paralelného rezonančného obvodu k hmote, čo umožňuje tomuto obvodu periodicky sa nabíjať energiou a následne jej vyžarovanie do priestoru.

Praktické schémy

Základná schéma

Fotografia hotového vysielača-prijímača energie

Stručne povedané, konštatujeme, že bezdrôtový prenos energie sa čoraz viac zavádza v oblasti spotrebnej elektroniky, priemyselných, vojenských a lekárskych zariadení. Rovnako ako bezdrôtová sieť LAN a Bluetooth sa aj bezdrôtové napájanie stáva horúcou voľbou. To vám umožní zbaviť sa nespoľahlivých tlačidiel, káblov, napájacích konektorov. Ďalšou oblasťou použitia sú transformátory, ktoré musia spĺňať špeciálne požiadavky - mať zosilnenú alebo dvojitú izoláciu. A čo je najdôležitejšie: elektrická bezpečnosť! Mnohé domáce spotrebiče s nízkym výkonom môžu byť napájané nie cez 220 V káble, zástrčky a zásuvky, ale bezkontaktným spôsobom - jednoducho ich premiestnením na požadovaný povrch.

Keď Apple predstavil svoju prvú bezdrôtovú nabíjačku pre mobilné telefóny a gadgety, mnohí to považovali za revolúciu a obrovský skok vpred v oblasti bezdrôtového napájania.

Boli to však priekopníci alebo ešte pred nimi, podarilo sa niekomu niečo podobné, hoci bez poriadneho marketingu a PR? Ukázalo sa, že to bolo už veľmi dávno a takých vynálezcov bolo veľa.

Slávny Nikola Tesla teda v roku 1893 predviedol užasnutej verejnosti žiaru žiariviek. Napriek tomu, že boli všetky bez drôtov.

Teraz môže každý študent zopakovať takýto trik tak, že vyjde na otvorené pole a postaví sa so žiarivkou pod vedenie vysokého napätia 220 kV a viac.

O niečo neskôr už Tesla dokázala rovnakým bezdrôtovým spôsobom zapáliť fosforovú žiarovku.

V Rusku v roku 1895 A. Popov ukázal prvý rádiový prijímač na svete v prevádzke. Ale vo všeobecnosti ide aj o bezdrôtový prenos energie.

Najdôležitejšia otázka a zároveň problém celej technológie bezdrôtového nabíjania a podobných metód spočíva v dvoch bodoch:

• ako ďaleko sa dá takto preniesť elektrina

• a koľko

Na začiatok si povedzme, koľko energie majú zariadenia a domáce spotrebiče okolo nás. Napríklad telefón, inteligentné hodinky alebo tablet vyžadujú maximálne 10-12W.

Notebook má viac požiadaviek - 60-80W. Dá sa to porovnať s priemernou žiarovkou. Ale domáce spotrebiče, najmä kuchynské spotrebiče, už spotrebúvajú niekoľko tisíc wattov.

Preto je veľmi dôležité nešetriť na množstve zásuviek v kuchyni.

Aké sú teda spôsoby a spôsoby prenosu elektrickej energie bez použitia káblov či akýchkoľvek iných vodičov, na ktoré ľudstvo za tie roky prišlo. A čo je najdôležitejšie, prečo ešte neboli zavedené do nášho života tak aktívne, ako by sme chceli.

Vezmite rovnaké kuchynské spotrebiče. Poďme to pochopiť podrobnejšie.

Prenos výkonu cez cievky

Najjednoduchšie implementovaným spôsobom je použitie induktorov.

Tu je princíp veľmi jednoduchý. Zoberú sa 2 cievky a umiestnia sa blízko seba. Jedným z nich je catering. Druhý hrá úlohu prijímača.

Pri úprave alebo zmene prúdu v napájacom zdroji sa automaticky zmení aj magnetický tok na druhej cievke. Ako hovoria fyzikálne zákony, v tomto prípade vznikne EMF a bude priamo závisieť od rýchlosti zmeny tohto toku.

Zdalo by sa, že všetko je jednoduché. Ale nedostatky kazia celý ružový obraz. Tri nevýhody:

• malá sila

Týmto spôsobom nebudete prenášať veľké objemy a nebudete môcť pripojiť výkonné zariadenia. A ak sa to pokúsite urobiť, roztavte všetky vinutia.

• krátka vzdialenosť

O prenose elektriny na desiatky či stovky metrov tu ani neuvažujte. Táto metóda má obmedzený účinok.

Aby ste fyzicky pochopili, aké sú veci zlé, vezmite si dva magnety a zistite, ako ďaleko ich treba oddeliť, aby sa prestali navzájom priťahovať alebo odpudzovať. To je približne rovnaká účinnosť pre cievky.

Samozrejme, môžete si vymyslieť a zabezpečiť, aby tieto dva prvky boli vždy blízko seba. Napríklad elektromobil a špeciálna dobíjacia cesta.

Koľko však bude stáť výstavba takýchto diaľnic?

• nízka účinnosť

Ďalším problémom je nízka účinnosť. Nepresahuje 40 %. Ukazuje sa, že týmto spôsobom neprenesiete veľa elektriny na veľké vzdialenosti.

Ten istý N. Tesla na to poukázal už v roku 1899. Neskôr presedlal na experimenty s atmosférickou elektrinou v nádeji, že v nej nájde stopu a riešenie problému.

Bez ohľadu na to, aké zbytočné sa však všetky tieto veci zdajú, stále sa dajú použiť na usporiadanie krásnych svetelných a hudobných vystúpení.

Alebo dobite zariadenia oveľa väčšie ako telefóny. Napríklad elektrické bicykle.

Laserový prenos energie

Ako však preniesť viac energie na väčšiu vzdialenosť? Spomeňte si na filmy, v ktorých túto technológiu vidíme veľmi často.

Prvé, čo napadne aj školákovi, sú Hviezdne vojny, lasery a svetelné meče.

Samozrejme, s ich pomocou prenesiete veľké množstvo elektriny na veľmi slušné vzdialenosti. Všetko však pokazí opäť malý problém.

Našťastie pre nás, ale bohužiaľ pre laser, má Zem atmosféru. A len dobre tlmí a požiera väčšinu celej energie laserového žiarenia. Preto s touto technológiou musíte ísť do vesmíru.

Na Zemi sa tiež uskutočňovali pokusy a experimenty na testovanie výkonu metódy. NASA dokonca usporiadala súťaže laserového bezdrôtového prenosu energie s cenovým fondom tesne pod 1 milión dolárov.

Nakoniec vyhral Laser Motive. Ich víťazným výsledkom je 1 km a 0,5 kW prenášaného trvalého výkonu. Pravda, v procese prenosu vedci stratili 90 % všetkej pôvodnej energie.

Ale napriek tomu, aj s účinnosťou desať percent, bol výsledok považovaný za úspešný.

Pripomeňme, že jednoduchá žiarovka má užitočnú energiu, ktorá ide priamo do svetla a ešte menej. Preto je výhodné vyrábať z nich infražiariče.

Mikrovlnná rúra

Naozaj neexistuje iný skutočne fungujúci spôsob prenosu elektriny bez drôtov? Existuje a bol vynájdený pred pokusmi a detskými hrami v hviezdnych vojnách.

Ukazuje sa, že špeciálne mikrovlny s dĺžkou 12 cm (frekvencia 2,45 GHz) sú pre atmosféru akoby priehľadné a nebráni to ich šíreniu.

Bez ohľadu na to, aké zlé je počasie, pri prenose pomocou mikrovĺn stratíte iba päť percent! Na to však musíte najprv premeniť elektrický prúd na mikrovlny, potom ich zachytiť a vrátiť do pôvodného stavu.

Prvý problém vedci vyriešili už veľmi dávno. Vynašli na to špeciálne zariadenie a nazvali ho magnetrón.

Navyše to bolo urobené tak profesionálne a bezpečne, že dnes má takéto zariadenie každý z vás doma. Choďte do kuchyne a pozrite sa na mikrovlnnú rúru.

Vnútri má rovnaký magnetrón s účinnosťou 95%.

Ale tu je návod, ako vykonať spätnú transformáciu? A tu boli vyvinuté dva prístupy:

• americký

• sovietsky

Ešte v šesťdesiatych rokoch vynašiel vedec W. Brown v USA anténu, ktorá splnila požadovanú úlohu. To znamená, že premenila žiarenie, ktoré na ňu dopadlo, späť na elektrický prúd.

Dokonca jej dal aj svoje meno – rectenna.

Po vynáleze nasledovali experimenty. A v roku 1975 sa pomocou rectenna prenášalo a prijímalo až 30 kW výkonu na vzdialenosť viac ako jeden kilometer. Prenosová strata bola len 18 %.

Takmer o polstoročie neskôr túto skúsenosť doteraz nikto nedokázal prekonať. Zdalo by sa, že metóda sa našla, tak prečo neboli tieto rektény vypustené medzi masy?

A tu sa opäť objavujú nedostatky. Rektény boli zostavené na báze miniatúrnych polovodičov. Ich normálnou úlohou je prenášať iba niekoľko wattov energie.

A ak chcete preniesť desiatky či stovky kilowattov, tak sa pripravte na montáž obrích panelov.

A tu sa objavujú neriešiteľné ťažkosti. Po prvé, je to reemisia.

Nielenže kvôli tomu stratíte časť energie, ale nebudete sa môcť priblížiť k panelom bez straty zdravia.

Druhou bolesťou hlavy je nestabilita polovodičov v paneloch. Stačí jeden vyhorieť pre malé preťaženie a zvyšok zlyhá ako lavína, ako zápalky.

V ZSSR to bolo trochu iné. Nie nadarmo si naša armáda bola istá, že aj pri jadrovom výbuchu všetko cudzie vybavenie okamžite zlyhá, ale sovietske nie. Celé tajomstvo je v lampách.

Na Moskovskej štátnej univerzite dvaja naši vedci V. Savin a V. Vanke navrhli takzvaný cyklotrónový energetický konvertor. Má slušnú veľkosť, keďže je zostavený na báze lampovej techniky.

Navonok je to niečo ako trubica s dĺžkou 40 cm a priemerom 15 cm. Účinnosť tejto lampy je o niečo nižšia ako účinnosť americkej polovodičovej veci - až 85%.

Ale na rozdiel od polovodičových detektorov má cyklotrónový konvertor energie množstvo významných výhod:

• spoľahlivosť

• veľkú moc

• odolnosť proti preťaženiu

• žiadna remisia

• nízke výrobné náklady

Napriek všetkému uvedenému sa však na celom svete práve polovodičové metódy na realizáciu projektov považujú za pokročilé. Je tu aj prvok módy.

Po prvom objavení sa polovodičov začali všetci náhle opúšťať elektrónkovú technológiu. Praktické skúsenosti však naznačujú, že je to často nesprávny prístup.

Samozrejme, že trubicové mobilné telefóny po 20 kg alebo počítače zaberajúce celé miestnosti nikoho nezaujímajú.

Ale niekedy nám v beznádejných situáciách môžu pomôcť len osvedčené staré metódy.

Výsledkom je, že dnes máme tri možnosti prenosu energie bez drôtov. Úplne prvý z uvažovaných je obmedzený vzdialenosťou aj silou.

To ale úplne stačí na nabitie batérie smartfónu, tabletu alebo niečoho väčšieho. Hoci je účinnosť malá, metóda stále funguje.

Prvý začal veľmi sľubne. V roku 2000 na ostrove Réunion bola potreba neustáleho prenosu výkonu 10 kW na vzdialenosť 1 km.

Hornatý terén a miestna vegetácia neumožňovali položiť tam nadzemné elektrické vedenie ani káblové vedenie.

Všetky pohyby na ostrove až do tohto bodu vykonávali výlučne vrtuľníky.

Na vyriešenie problému boli do jedného tímu zhromaždené najlepšie mysle z rôznych krajín. Vrátane tých, ktorí už boli v článku spomenutí, naši vedci z Moskovskej štátnej univerzity V. Vanke a V. Savin.

V momente, keď mali začať s praktickou realizáciou a výstavbou energetických vysielačov a prijímačov, však bol projekt zmrazený a zastavený. A s nástupom krízy v roku 2008 od toho úplne upustili.

V skutočnosti je to veľké sklamanie, pretože teoretická práca, ktorá sa tam vykonala, bola kolosálna a hodná implementácie.

Druhý projekt vyzerá bláznivejšie ako prvý. Sú na to však vyčlenené reálne prostriedky. Samotnú myšlienku vyslovil už v roku 1968 fyzik z USA P. Glaser.

Navrhol v tom čase nie celkom normálny nápad - umiestniť obrovský satelit na geostacionárnu dráhu vo výške 36 000 km nad zemou. Na ňu umiestnite solárne panely, ktoré budú zbierať voľnú energiu zo slnka.

Potom by sa toto všetko malo premeniť na lúč mikrovlnných vĺn a preniesť na zem.

Akási „hviezda smrti“ v našej pozemskej realite.

Na zemi musí byť lúč zachytený obrovskými anténami a premenený na elektrinu.

Aké veľké musia byť tieto antény? Predstavte si, že ak má satelit priemer 1 km, tak na zemi by mal byť prijímač 5-krát väčší - 5 km (veľkosť Garden Ring).

Ale veľkosť je len malá časť problému. Po všetkých výpočtoch sa ukázalo, že takýto satelit by generoval elektrinu s kapacitou 5 GW. Po dosiahnutí zeme by zostali iba 2 GW. Napríklad elektráreň Krasnojarsk poskytuje 6 GW.

Preto sa jeho nápad zvážil, spočítal a odložil, keďže spočiatku všetko stálo na cene. Náklady na vesmírny projekt sa v tých časoch vyšplhali nad 1 bilión dolárov.

Ale veda, našťastie, nestojí na mieste. Technológia je stále lepšia a lacnejšia. Niekoľko krajín už takúto slnečnú vesmírnu stanicu vyvíja. Hoci na začiatku dvadsiateho storočia stačil na bezdrôtový prenos elektriny len jeden geniálny človek.

Celkové náklady na projekt klesli z pôvodných na 25 miliárd dolárov. Otázkou ostáva – dočkáme sa jej implementácie v blízkej budúcnosti?

Žiaľ, nikto ti nedá jednoznačnú odpoveď. Stávky sa uzatvárajú len na druhú polovicu tohto storočia. Preto sa zatiaľ uspokojme s bezdrôtovými nabíjačkami pre smartfóny a dúfajme, že sa vedcom podarí zvýšiť ich efektivitu. Nuž, alebo nakoniec sa na Zemi zrodí druhý Nikola Tesla.