Truyền điện không dây

Xem thêm :

I. Lịch sử

Năm 1865, nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell đã tích hợp những định luật về điện và từ đã biết để tạo ra kim chỉ nan Maxwell. Lý thuyết này dựa trên sự sống sót của những trường, hiểu nôm na là môi trường tự nhiên truyền ảnh hưởng tác động từ nơi này đến nơi khác .

Ông nhận thấy rằng các trường truyền nhiễu loạn điện và từ là các thực thể động: Chúng có thể dao động và truyền trong không gian.

Dựa vào lý thuyết này, Maxwell đã đi đến một kết luận: Tất cả các sóng điện từ đều truyền trong không gian (chân không) với một vận tốc không đổi bằng vận tốc ánh sáng.

Nhờ vào những ứng dụng của triết lý Maxwell ngày này con người đã tạo ra vô vàn những thiết bị điện tử để hoàn toàn có thể truyền tín hiệu đi xa hàng vạn km trong khoảng trống .
Với nhu yếu ngày càng cao của con người, trái đất lại một lần nữa đặt ra câu hỏi “ Liệu hoàn toàn có thể vừa truyền tín hiệu sóng điện từ đi xa vừa hoàn toàn có thể truyền nguồn năng lượng cung ứng cho thiết bị thu tín hiệu này mà không cần dây dẫn hay không ? ” .
Đây là một câu hỏi mà cho đến giờ đây vẫn đang còn làm đau đầu những nhà khoa học trên khắp quốc tế vì rằng để truyền được một nguồn điện đủ lớn cho thiết bị hoàn toàn có thể hoạt động giải trí trong một khoảng cách dài là điều không hề dễ một chút ít nào .

Bài viết dưới đây giống như một thí nghiệm nhỏ cung ứng cho những bạn yêu kỹ thuật điện tử chút khái niệm về việc truyền điện không dây .
Hi vọng bằng niềm đam mê kỹ thuật và những công cụ có được tất cả chúng ta sẽ cùng nhau khám phá và đưa những ứng dụng của nó vào trong đời sống .
Hãy tưởng tượng thử xem trong một tương lai không xa … nào đó, tất cả chúng ta tự do sử dụng những thiết bị điện tử mà không cần phải bận tâm đến nguồn nguồn năng lượng của nó !

II. Cơ sở lý thuyết

Để hiểu rõ và cụ thể hơn cũng như những công thức về những định luật vật lý xin mời những bạn tra từ điển bách khoa toàn thư mở Wikipedia .
Ở đây tôi xin tóm lược lại 1 vài ý chính trong những định luật này .

a. Lý thuyết Maxwell

Như các bạn đã biết: Theo lý thuyết của Maxwell khi có một điện trường biến thiên thì sẽ sinh ra một từ trường biến thiên bao quanh nó đến lượt từ trường biến thiên này làm cho các hạt mang điện dao động và lại sinh ra một điện trường biến thiên và cứ thể điện trường và từ trường biến thiên được lan truyền trong không gian với vận tốc cỡ 300.000 km/giây (Tương đương với vận tốc ánh sáng! ).

b. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Một điều nữa đó là dựa vào hiện tượng kỳ lạ cảm ứng điện từ mà Michael Faraday đã làm thực nghiệm và rút ra được Tóm lại là khi cho một từ trường biến thiên cắt qua một vòng dây dẫn thì trong vòng dây dẫn đó sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng, nếu vòng dây dẫn là khép kín thì sẽ có 1 dòng điện cảm ứng chạy trong dây dẫn .
Độ lớn của dòng điện cảm ứng nhờ vào vào vận tốc biến thiên của từ trường và chiều của dòng điện phụ thuộc vào vào độ tăng hay giảm của từ trường đó .

Thí nghiệm của Faraday

c. Định luật Lenz

Một định luật cũng không kém phần quan trọng nữa đó là định luật Lenz trong đó nói rằng “ Dòng điện cảm ứng sinh ra trong dây dẫn có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra chống lại nguyên do sinh ra nó “ …
Ái chà khởi đầu stress rồi đây !
Tuy nhiên định luật này cũng rất dễ hiểu
Ví dụ :
Ta có 1 cuộn dây dẫn khép kín bên trong là rỗng và bạn có 1 thanh nam châm từ .
Bạn cầm thanh nam châm từ và vận động và di chuyển cực Bắc của thanh nam châm từ vào trong cuộn dây .
Ngay lập tức cuộn dây sẽ Open một dòng điện cảm ứng .
Dòng điện cảm ứng này theo hiện tượng kỳ lạ cảm ứng điện từ sẽ sinh ra một từ trường có chiều ngược lại với thanh nam châm hút, nghĩa là nó cũng sinh ra một từ trường có cực Bắc bên ngoài và cực Nam bên trong và có khuynh hướng đẩy thanh nam châm từ trong tay bạn đi ra khỏi cuộn dây .
Khi bạn kéo thanh nam châm hút ra khỏi cuộn dây thì ngay lập tức dòng điện cảm ứng đổi chiều làm từ trường đổi cực và hút thanh nam châm từ trở lại .
Khi bạn chuyển dời thanh nam châm hút vào ra trong lòng cuộn dây với vận tốc nhanh thì tay bạn sẽ cảm thấy rất nặng nề .
Nếu lúc này bạn nối hai đầu cuộn dây vào một bóng đèn thì bóng đèn sẽ phát sáng theo sự chuyển dời thanh nam châm từ của bạn và đó cũng chính là nguyên tắc của máy phát điện !

d. Mạch dao động LC

Mạch giao động LC là một mạch điện gồm có 1 cuộn dây và 1 tụ điện mắc song song với nhau ( như hình vẽ thứ nhất ) .
Bản thân mạch giao động LC là một mạch không hề … xê dịch trừ phi ta cấp 1 nguồn điện V hoặc cung ứng một từ thông biến thiên khởi đầu vào cho mạch .
Ở đây để cho dễ hiểu bạn tưởng tượng cuộn dây đóng vai trò như một máy phát điện và tụ điện đóng vai trò như một bình ắc quy lưu điện .
Xem thêm :
Chuyện gì xãy ra khi ta cấp nguồn điện bắt đầu vào cho mạch LC này ?
Nếu ta cấp 1 nguồn điện V vào mạch LC ngay lập tức tụ điện được nạp đầy còn cuộn dây thì sinh ra từ trường như 1 thanh nam châm hút .
Khi ta ngắt nguồn điện cấp cho mạch LC, Tụ điện phóng vào cuộn dây 1 dòng điện giảm dần, lúc này từ trường trong cuộn dây từ cực lớn và biến thiên trở thành cực tiểu .
Theo định luật cảm ứng điện từ cuộn dây lại sinh ra một dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự mất mát của từ trường, dòng điện này ngược chiều với dòng điện cấp vào khởi đầu cho mạch LC .
Dòng điện cảm ứng sinh ra lúc này lại nạp ngược lại vào tụ điện .
Lúc này tụ điện được tăng điện áp và cuộn dây lại tăng dần từ thông theo chiều ngược lại, hiện tượng kỳ lạ cảm ứng điện từ lại xãy ra và cứ như thế bên trong mạch LC sống sót 1 dòng điện xoay chiều hình sine .
Dòng điện xê dịch này sẽ đạt cực lớn và duy trì mãi mãi khi điện trở động của cuộn dây ( cảm kháng ) và dung kháng của tụ điện có giá trị điện trở bằng nhau lúc này mạch xê dịch LC đạt đến trạng thái gọi là cộng hưởng LC
Tóm lại hiểu nôm na là cuộn dây phát điện nạp cho tụ điện, tụ điện phóng điện tạo từ thông biến thiên trong cuộn dây, cuộn dây lại cảm ứng ra dòng điện nạp ngược lại cho tụ điện …
Và quy trình này sẽ sống sót mãi mãi nếu như hai “ ” anh chị ” LC không … bước ra khỏi triết lý !
Trong thực tiễn vì cuộn dây L được cấu trúc từ vật tư thông thường ( không phải siêu dẫn ) nên ngoài cảm kháng của cuộn dây còn có điện trở thuần của nó .
Tụ điện cũng vậy ngoài dung kháng của tụ còn có điện trở thuần của tụ vì dung môi cấu trúc nên tụ không cách điện trọn vẹn .
Chính thế cho nên mạch cộng hưởng LC trong thực tiễn còn có thêm một điện trở thuần làm tiêu tốn nguồn năng lượng bên trong mạch .
Do đó tín hiệu trong mạch cộng hưởng LC chính là những xê dịch tắt dần có dạng hình chuông !

Hình trên cho tất cả chúng ta thấy điện áp kích thích cho mạch cộng hưởng LC là sóng vuông ( màu vàng ) và dòng điện bên trong khung cộng hưởng LC có dạng hình chuông ( màu xanh bên dưới )

e. Hiện tượng bức xạ sóng điện từ

Tham khảo cụ thể ở link sau :
Bản chất của bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ ( hay sóng điện từ ) là sự tích hợp của giao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, Viral trong khoảng trống như sóng .
Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những “ đợt sóng ” có đặc thù như những hạt hoạt động gọi là photon .
Khi Viral, sóng điện từ mang theo nguồn năng lượng, động lượng và thông tin

Bản chất của bức xạ điện từ là dòng điện có tần số càng cao thì bức xạ càng mạnh và nguồn năng lượng mang theo càng lớn, năng lực xuyên thấu vật cản càng nhiều .

III. Mô hình thử nghiệm

Mô hình đầu tiên của tôi sử dụng linh kiên KEU28L của Kyocera có tần số dao động 13MHZ

Đây là module VCO ( Voltage-controlled oscillator ) được sử dụng rất nhiều trong những thiết bị di động :

Vì module VCO là linh phụ kiện smd nên tôi đã hàn thêm 1 cái jack 3 chân và 1 diode zenner 5V để bảo vệ tiện cho việc cắm mạch test thử :

Vì sao lại chọn tần số này ?
Đây là tần số gần bằng với tần số bức xạ của thiết bị thẻ trấn áp bảo mật an ninh RFID ( Radio Frequency Identification ) .
RFID là mạng lưới hệ thống nhận dạng thiết bị dựa trên sóng radio có tần số sóng mang 13,56 MHZ .

Đây cũng được coi là thiết bị truyền điện không dây đầu tiên của thế kỷ 20.

Bên trong mỗi thẻ RFID có một mạch cộng hưởng LC, khi thẻ được đưa vào vùng phát sóng điện từ thì mạch cộng hưởng LC sẽ thu sóng mang của mạch phát và quy đổi thành điện năng cấp cho bộ vi giải quyết và xử lý hoạt động giải trí, sau đó bộ vi giải quyết và xử lý trong thẻ sẽ gửi trả lại tín hiệu ID của thẻ để mạng lưới hệ thống nhận dạng …
Trở lại với việc dùng VCO làm linh phụ kiện tạo tần số để bức xạ sóng điện từ .
Đầu ra của VCO tôi cho vào mạch đệm để tăng dòng sau đó qua mạch hòn đảo và qua mosfet để lái dòng vào mạch cộng hưởng LC

Sơ đồ thử nghiệm truyền điện không dây chi tiết như sau

Cắm trên test board :


Ở mạch thu tôi dùng dây đồng nhỏ quấn 4 vòng và tải là một bóng đèn led siêu sáng có điện áp 3V2
Kết quả sau khi cấp nguồn cho mạch và kiểm soát và điều chỉnh khung cộng hưởng LC thì mạch thu đã nhận được sóng và làm bóng đèn phát sáng :


Tín hiệu bức xạ trong mạch cộng hưởng LC có dạng như sau :

Cái mạch này mình sử dụng một mạch phát xung bằng thạch anh có tần số F sau đó khuếch đại bằng mosfet và đầu ra kéo cuộn dây song song với tụ điện .

Dựa vào hiện tượng cảm ứng điẹn từ và mạch cộng hưởng LC sẽ có công thức ZL = ZC

Trong đó :

ZL = 2 * pi * L

ZC = 1/2*pi *F * C

Nguyên lý chung và cách đo lường và thống kê mạch LC
Tính toán giá trị của khung cộng hưởng LC ( Áp dụng vật lý 12 phần điện xoay chiều – NXBGD )

Lưu ý những giá trị sau khi đo lường và thống kê có được mà linh phụ kiện không có trên thị trường thì ta sử dụng những giải pháp kiểm soát và điều chỉnh bằng cách gia giảm những thông số kỹ thuật và dùng giao động ký để quan sát biên độ tín hiệu đầu ra mạch thu .
Việc này yên cầu sự kiên trì, tỉ mĩ và đúng chuẩn :

• Nếu bạn quấn cuộn dây trước thì bạn phải đo trị số cuộn dây sau đó đưa vào công thức + thêm tần số F thì sẽ tính được giá trị C và ngược lại

• Ở cuộn thu thì lắp 1 con diode để chỉnh lưu thành một chiều rồi cho vào tải là bóng đèn

Sơ đồ của mình làm đề tài nên dùng thạch anh xê dịch và tụ xoay khá phức tạp, đăng lên nhiều lúc làm theo ko chạy sẽ bị chém tơi tả …
Bạn hoàn toàn có thể tìm hiểu thêm một sơ đồ đơn thuần ở link sau :

Phần cuối clip tác giả đã cho sơ đồ rất rõ :

Sơ đồ này của tây, các bạn chém thoải mái…
Mô hình tiếp theo tôi đã sử dụng hai mạch cộng hưởng LC làm từ dây đồng dẫn ga của điều hòa nhiệt độ có đường kính 15 cm

Kết quả thu được cũng tương tự như như trên nhưng mạch hiệu suất của mạch điện trở nên nóng hơn, những mosfet yên cầu phải có cánh nhôm tỏa nhiệt khá lớn mới chịu được .
Điều này là không hề gật đầu được vì hiệu suất của mạch quá thấp .
Hơn nữa tiềm năng đơn cử tiếp theo là làm một bộ sạc không dây cho điện thoại cảm ứng, để làm cho thiết bị hoàn toàn có thể đưa vào ứng dụng được tôi quyết định hành động biến hóa hàng loạt quy mô bằng cách :
– Tăng số vòng dây của cuộn thu phát
– Giảm tần số bức xạ
– Thu gọn tối đa mạch điện
– Sử dụng mạch phản hồi dòng phát xạ để tự động hóa kiểm soát và điều chỉnh độ rộng xung ( PWM )
– Thêm mạch chỉnh lưu và ổn áp đầu ra ở mạch thu







Xem tiếp Truyền điện không dây phần 2 với mạch điện hoàn thành xong và mẫu sản phẩm thương mại

Link tham khảo về Truyền điện không dây :

http://news.mit.edu/2007/wireless-0607
http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/272-ban-chat-cua-buc-xa-dien-tu
https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer
https://peswiki.com/directory:wireless-transmission-of-electricity
https://electronics.howstuffworks.com/everyday-tech/wireless-power.htm

Google with “wireless electricity” – Truyền điện không dây

Module Wireless Electricity V2 kích thước nhỏ gọn với các tính năng:

– Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ rất nhỏ (60mA) dòng phát max 600mA @12V

– Cải thiện hiệu suất truyền tối đa

– Không tỏa nhiệt trên mạch phát và thu

– Chức năng ổn áp điện áp ra

– Phản hồi ổn định công suất phát sóng. Có thể dùng để cấp nguồn trang trí hoặc sạc điện thoại.

Nguồn: minhdt.info

5/5 – ( 2 bầu chọn )

Source: https://thomaygiat.com
Category : Điện Tử