انتقال توان بیسیم چیست و چه روشهایی دارد؟
در این آموزش ساخت مدار انتقال توان بیسیم ساده میسازیم که بتواند یک LED را در فاصله چند سانتیمتری بدون سیم روشن کند. این پروژه یک نمونه آموزشی از پایههای شارژر بیسیم مبتنی بر کوپلینگ القایی است.
بهطور کلی سه روش رایج برای انتقال توان بیسیم مطرح میشود:
• کوپلینگ القایی (Inductive Coupling)
• لیزری
• مایکروویو
در این پروژه از روش «کوپلینگ القایی» استفاده میکنیم؛ همان روشی که در شارژرهای بیسیم گوشی، مسواکهای برقی و بسیاری از محصولات تجاری دیده میشود.
ایده کلی کار (مثل ترانسفورماتور، اما بدون هسته مشترک)
میتوانید این سیستم را شبیه یک ترانسفورماتور در نظر بگیرید؛ با این تفاوت که بهجای هسته آهنی مشترک، انرژی از طریق میدان مغناطیسی متناوب بین دو سیمپیچ (Tx و Rx) منتقل میشود. سیمپیچ فرستنده میدان مغناطیسی فرکانسبالا تولید میکند و سیمپیچ گیرنده آن را دریافت کرده و به ولتاژ AC تبدیل میکند؛ سپس با یکسوسازی میتوان LED یا بار سبک را تغذیه کرد.
شکل: شِمای کلی انتقال توان بیسیم: نوسانساز → مدارهای تشدید → یکسوساز → بار
چرا «تشدید» مهم است؟ (فرکانس تشدید LC)
راندمان انتقال توان القایی به «ضریب تزویج» و همچنین «تشدید شدن» دو سیمپیچ روی یک فرکانس یکسان وابسته است. بیشترین بازده معمولاً در فرکانس تشدید به دست میآید. فرکانس تشدید از رابطه زیر بهدست میآید:
F = 1 / (2π√(L×C))
که در آن F بر حسب هرتز، L اندوکتانس (هنری) و C ظرفیت خازن (فاراد) است. اگر مثلاً فرکانس تشدید شما 100kHz باشد، باید سیگنال نوسانی نزدیک به همین فرکانس به سیمپیچ فرستنده اعمال شود و سیمپیچ گیرنده هم روی همان فرکانس تنظیم شود.
شماتیک مدار پیشنهادی (فرستنده و گیرنده)
در مدار زیر، بخش فرستنده با ترانزیستور BD139 یک نوسانساز ساده ایجاد میکند و سیمپیچ Tx را تحریک میکند. در سمت گیرنده، سیمپیچ Rx با یک خازن تشدید میشود و خروجی با یک دیود (مثلاً 1N4148) یکسوسازی شده و LED روشن میشود.
شکل: نمونه مدار انتقال توان بیسیم با BD139 (Tx) و گیرنده ساده برای روشن کردن LED (Rx)
شماتیک مدار انتقال توان بی سیم با BD139 و روشن کردن LED
اگر به تصویر دوم با وضوح/کیفیت متفاوت نیاز داشته باشید، همین شماتیک به شکل زیر هم موجود است:
شکل: نسخه دیگر از همان شماتیک مدار (برای مشاهده جزئیات بیشتر)
شماتیک مدار انتقال توان بی سیم نسخه دوم
ساخت سیمپیچها (Tx و Rx)
• سیمپیچ فرستنده (Tx): 10 دور سیم (ترجیحاً ضخیمتر برای جریان بالاتر)
• سیمپیچ گیرنده (Rx): 10 دور با قطر حدود 5 سانتیمتر (یا 10 دور با قطر دلخواه)
نکته مهم: برای راندمان بهتر، بهتر است قطر دو سیمپیچ نزدیک به هم باشد و تا حد ممکن هممحور و نزدیک قرار گیرند.
برای BD139 استفاده از هیتسینک توصیه میشود؛ چون در کارکرد پیوسته ممکن است گرم شود.
آیا برای انسان خطر دارد؟
ایمنی به توان، فرکانس و روش پیادهسازی بستگی دارد. محصولات تجاری (مثل شارژر بیسیم موبایل) معمولاً تستهای ایمنی را پاس کردهاند و برای استفاده روزمره طراحی شدهاند. در این پروژه هم انتقال انرژی از طریق کوپلینگ القایی و در فاصله کوتاه انجام میشود و مثل «جرقه زدن در هوا» نیست. با این حال توصیه میشود:
• مدار را برای مدت طولانی بدون نظارت روشن نگذارید.
• از تماس مستقیم طولانی با سیمپیچها هنگام کارکرد خودداری کنید.
• اگر قصد افزایش توان دارید، حتماً طراحی را اصولیتر (حفاظت، کنترل دما، شیلدینگ و …) انجام دهید.
جمعبندی
در این آموزش با مفهوم پایه انتقال توان بیسیم مبتنی بر کوپلینگ القایی آشنا شدیم و یک مدار ساده برای روشن کردن LED ساختیم. قدم بعدی برای پروژههای حرفهایتر، طراحی درایور مؤثرتر، تشدید دقیقتر، افزایش راندمان و اضافه کردن کنترل/حفاظت است.