هر آنچه لازم است درمورد شارژرهای بی سیم بدانید: تاریخچه، نحوه ی عملکرد و انواع شارژرهای بی سیم

 برای شارژ کردن گجت های همراه به کابل نیاز داریم و استفاده از کابل برای انتقال انرژی الکتریکی به دستگاه های همراه اگرچه ارزانتر و مطمئنتر از شارژ دستگاه ها به صورت بی سیم است اما مشکلاتی هم دارد که باعث شده است شارژر بی سیم در چند سال اخیر به یکی از قابلیتهایی تبدیل شود که اکثر مردم آرزو دارند به صورت استاندارد در همه ی دستگاه هایی که نیاز به شارژ دارند دیده شود. به موضوع شارژ بی سیم در سال های اخیر از طرف مصرف کنندگان و تولیدکنندگان توجه زیادی شده است و حتی انتظار می رود در آینده این فناوری جایگزین روش های فعلی برای شارژ دستگاه ها شود.

از آنجایی که شارژ بی سیم یک فناوری جدید است هنوز کاربران اطلاعات زیادی در مورد این فناوری ندارند. سوالات زیادی در رابطه با این فناوری مطرح می شود به عنوان مثال عده ای می خواهند بدانند این فناوری از کجا آمده است؟ آیا برای استفاده از این فناوری نیاز به ابزار خاصی هست؟ شارژرهای بی سیم به طور کلی چه کاربردهایی دارند؟ و سوالات بیشماری در مورد این فناوری وجود دارد. اگر شما هم می خواهید اطلاعات بیشتری در مورد شارژ بی سیم به دست آورید پس این مقاله را تا انتها مطالعه کنید. در این مقاله سعی داریم به بررسی و پاسخگویی به تمامی سوالات و همچنین هر آنچه لازم است در رابطه با شارژ بی سیم بدانید بپردازیم.

برای آشنایی با نحوه عملکرد شارژرهای بی سیم ابتدا نیاز است با انتقال بی سیم انرژی الکتریکی بیشتر آشنا شویم. اساس کار شارژرهای بی سیم انتقال انرژی بدون سیم و کابل است اما این کار چگونه امکان پذیر است؟ در ابتدا به بررسی انتقال بی سیم انرژی الکتریکی می پردازیم و شما را با این فناوری بیشتر آشنا می کنیم.


تاریخچه انتقال بی سیم انرژی الکتریکی

شاید فکر می کنید که انتقال بی سیم انرژی الکتریکی فناوری جدیدی است اما باید بگوییم که سخت در اشتباهید! ایده انتقال انرژی الکتریکی تقریباً به اندازه ی خود تولید برق قدمت دارد. در اوایل قرن بیستم فیزیک دان و مهندس الکترونیک مشهور نیکولا تسلا (Nikola Tesla) پتنتی را ثبت کرد که در آن به توصیف دستگاهی پرداخته بود که قادر بود انرژی الکتریکی را بدون نیاز به سیم و از طریق یک رسانا منتقل کند. البته تسلا تحقیقات زیادی را در این زمینه انجام داد و تئوری های مختلفی را ارائه کرد. در نهایت تسلا به یک روش عملی برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی دست یافت.

تسلا پیشنهاد داد که از کویل (سیم پیچ) های بزرگ برای انتقال برق از طریق لایه تروپوسفر اتمسفر به خانه ها استفاده شود. در ادامه تسلا شروع به ساخت یک برج به نام واردن کلیف در لانگ آیلند نیویورک کرد. این برج یک برج مخابراتی بسیار بزرگ بود که تسلا با استفاده از آن می توانست ایده ی انتقال بی سیم جریان برق خود را به صورت عملی آزمایش کند اما او سرانجام موفق به ادامه کار خود نمی شود.

این ماجرا جایی به پایان می رسد که حامیان مالی تسلا به این نتیجه می رسند که هیچ راه عملی وجود ندارد که مطمئن شد مردم حاضر شوند پول برق مصرفی خود را بپردازند و در عوض شبکه برق سیمی گسترش یافت. تسلا تلاش زیادی در زمینه انتقال بی سیم برق کرد و آثار تاثیرگذاری را در این زمینه از خود بر جای گذاشت که بعدها محققان با استفاده از آن ها نظریه ها و تئوری های مختلفی را در این زمینه ارائه کردند. یکی از نمایش های جالب تسلا روشن کردن چراغ های محوطه ی مرکز آزمایشات کلرادو اسپرینگ خود از راه دور بود.

پس از تسلا ایده ی دیگری برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی در دهه ی 1960 مطرح شد. تعدادی از محققان بالگرد مینیاتوری را به نمایش گذاشتند که انرژی موردنیاز خود را از امواج ماکروویوی که از زمین برای آن ارسال می شد دریافت می کرد. البته این ایده برای انتقال انرژی الکتریکی به دو دلیل مورد استقبال قرار نگرفت. دلیل اول این بود که اجرای این طرح نیاز به زیرساخت های گران قیمتی دارد و دلیل دوم نگرانی در مورد استفاده از امواج پرقدرت ماکروویو بود که می تواند برای انسان مضر باشد. نظریه انتقال انرژی الکتریکی به وسیله امواج رادیویی پس از نظریه تسلا مهمترین نظریه ای بود که در مورد انتقال بی سیم انرژی الکتریکی مطرح شده بود.

انتقال بی سیم انرژی الکتریکی کم کم داشت به فراموشی سپرده می شد که در سال 2006 تیمی متشکل از متخصصان دپارتمان های فیزیک، مهندسی برق و کامپیوتر، انستیتو نانوتکنولوژی و دانشمندان و مهندسانی دیگر از دانشگاه MIT که روی انتقال بی سیم نیروی الکتریسیته کار می کردند به نتایج مهمی رسیدند. متخصصان این گروه در آخرین آزمایشات خود موفق شدند یک لامپ 60 وات را از فاصله ی 2 متری بدون اتصال فیریکی به منبع برق روشن کنند.

در نوامبر سال 2006 این گروه گزارشی منتشر کردند و در آن مدعی شدند که روش کارآمدی برای انتقال انرژی الکتریکی بین سیم پیچ هایی که چند متر از هم فاصله دارند کشف کرده اند. این تیم به سرپرستی پروفسور مارین سولیاچیچ (Marin Soljacic) این تئوری را مطرح کردند که آنها توانسته اند فاصله ی سیم پیچ ها را از طریق افزودن رزونانس (تشدید) به معادله گسترش دهند.

برای این که ایده ی این گروه را بهتر درک کنید نیاز به شناخت بیشتر رزونانس دارید. یکی از راه های پی بردن به رزونانس این است که آن را برحسب صدا فرض کنیم. به عنوان مثال یک شیپور را در نظر بگیرید. ساختار فیزیکی جسم مثل اندازه و شکل آن فرکانس طبیعی ارتعاش را تعیین می کند. به این ترتیب شکل و اندازه شیپور فرکانس رزونانس این شیپور است. به همین ترتیب نواختن شیپور باعث ارتعاش شیپور مجاور می شود زیرا هردو شیپور فرکانس رزونانس یکسانی دارند.

این گروه نام ابداع خود را WiTricity که مخفف واژه های وایرلس و الکتریسیته است گذاشته اند. ایده این طرح از آن جایی شکل گرفت که یک شب زنگ هشدار اتمام باتری تلفن همراه سولیاچیچ به صدا درآمد و او به شارژر برای شارژ کردن گوشی خود دسترسی نداشت و به این فکر کرد که کاش راهی بود تا بتوان تلفن همراه را بدون ارتباط سیمی شارژ کرد. متخصصان این طرح راه های مختلفی را برای انتقال الکتریسیته بدون اتصال فیزیکی آزمایش کردند.

این گروه پرتو افشانی الکترومغناطیس را به عنوان روش اصلی کار خود قرار دادند که بسیار شبیه انتشار امواج رادیویی است. به هر حال این روش اگرچه برای انتقال اطلاعات و دیتا مناسب می باشد اما برای انتشار الکترومغناطیس دشواری های زیادی به همراه داشت.

این گروه تحقیقات خود را ادامه دادند و به این نتیجه رسیدند که اگر میدان های الکترومغناطیسی پیرامون سیم پیچ در فرکانس یکسانی تشدید شوند القا می تواند با اندکی تفاوت روی دهد. در این تئوری از سیم پیچ خمیده ای به عنوان القاگر استفاده می شود و یک صفحه ی خازنی که می تواند بار را نگه دارد به دو سر سیم پیچ متصل می شود. همزمان با عبور برق، سیم پیچ شروع به تشدید می کند. فرکانس رزونانس آن حاصل القای سیم پیچ و ظرفیت صفحه ها است. محققان این عمل را «انتقال غیر تابشی انرژی» می نامند زیرا شامل میدان های ساکن اطراف سیم پیچ ها می باشد و میدان هایی را که در تمام جهات منتشر می شوند را دربرنمیگیرد.

تیم MIT در آزمایشات مقدماتی خود این تئوری را مطرح کردند که یک سیم پیچ می تواند هر وسیله ای که در محدوده اش قرار دارد را شارژ کند به شرط آنکه سیم پیچ ها دارای فرکانس رزونانس یکسان باشند. این تیم در ماه ژوئن 2007 به پیشرفت هایی دست یافت و مقاله ای مبنی بر جزییات اثبات تجربی موفقیت آمیز بودن طرح اولیه خود منتشر کردند. این گروه از سیم پیچ های تشدید شونده جهت روشن کردن لامپ ها از مسافتی حدود 7 پا (2 متر) استفاده کردند. این گروه تئوری هایی هم در خصوص انتقال بی سیم انرژی در فواصل طولانی مانند فاصله ی فضا تا زمین ارائه کردند.


کاربردهای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی

از فناوری انتقال بی سیم انرژی الکتریکی می توان در کاربردها و محیط های گوناگون استفاده کرد. این فناوری توانایی انتقال انرژی را به صورت ایمن، کارا و در فواصل زیاد را دارد و باعث بهبود دستگاه ها و وسایل مختلف می شود. به طور کلی این فناوری می تواند به دو صورت زیر به کار گرفته شود:

استفاده مستقیم از انرژی الکتریکی: در این روش از انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به صورت مستقیم برای تامین برق دستگاه استفاده می شود. به این ترتیب تمام انرژی الکتریکی مورد نیاز دستگاه به صورت بی سیم به خود دستگاه منتقل می شود. در این حالت هیچ باتری ای وجود ندارد. این حالت برای دستگاه هایی که به صورت مداوم و ثابت از آن ها استفاده می شود کاربرد دارد.

با استفاده از فناوری انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به صورت مستقیم دیگر نیازی نیست که وسایل و دستگاه های الکتریکی را باسیم به برق متصل کرد و با انبوهی از سیم های درهم و خاک خورده مواجه شویم. برای مثال با استفاده از این فناوری به جای استفاده از چند کابل برای اتصال همزمان تلویزیون و سینمای خانگی و دستگاه پخش BLU-RAY به برق می توان بدون هیچ گونه کابلی انرژی مورد نیاز آن ها را تامین کرد.

انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به صورت خودکار: این روش برای دستگاه های مجهز به باتری قابل شارژ کاربرد دارد. در این حالت با استفاده از انرژی الکتریکی به صورت بی سیم می توانید دستگاه های خود را شارژ کنید و دیگر خبری از کابل های مزاحم برای شارژ دستگاه ها نیست.

به طور کلی از انتقال بی سیم انرژی الکتریکی در زمینه های زیر می توان استفاده کرد:

1- وسایل الکترونیکی

- شارژ وسایل الکترونیکی سیار و متحرک مانند: تلفن های همراه، تبلت ها، لپ تاپ ها، دسته های بازی و ... در خانه، محل کار، ماشین و هرجای دیگری بدون هیچ گونه کابل و لوازم اضافی

- تامین انرژی با برق بی سیم به صورت مستقیم برای دستگاه های ثابت مثل: تلویزیون، قاب عکس دیجیتال، سینمای خانگی، All in One، بلندگوهای بی سیم و ... که با این کار سیم کشی های گران قیمت و کابل های بدنما و همچنین منبع تغذیه های دیواری حذف می شوند.

- تامین انرژی لوازم جانبی رایانه های شخصی مانند: موس بی سیم، صفحه کلید بی سیم، چاپگر، صفحه نمایش و بلندگوهای بی سیم و ... که باعث حذف سیم های مزاحم و باتری های یکبار مصرف می شود.

2- صنعتی

- استفاده از انتقال انرژی الکتریکی به صورت بی سیم مستقیم برای اتصالات و مفصل های مکانیکی در حالت حرکت و چرخش مانند: ربات ها، ماشین های بسته بندی، ماشین های ساخت و مونتاژ، ابزار آلات ماشینی و ...

- استفاده از انتقال بی سیم مستقیم انرژی الکتریکی در محیط های حساس، پرخطر . نامناسب مانند: حفاری، مته کاری، معدن کاری، محیط های زیر آب و ... که استفاده از سیم غیرممکن است و یا ریسک زیادی به همراه دارد.

- استفاده از انتقال بی سیم مستقیم برای سنسورها و محرک های بی سیم که باعث حذف جابجا کردن باتری ها و سیم کشی های تغذیه گران قیمت می شود.

- شارژ بی سیم خودکار برای ربات های سیار، وسایل نقلیه خودکار (مترو، ماشین های برقی و ...)، ابزارآلات بی سیم و ... که باعث حل شدن مشکلاتی نظیر مکانیزم پیچیده ی ارتباط دستگاه با شارژر، شارژر دستی و جابجایی باتری می شود.

3- حمل و نقل

- شارژ بی سیم انواع وسایل نقلیه و خودروهای الکتریکی شخصی، عمومی و تجاری در خانه، پارکینگ خودروها، بندرها، اتاق های کنترل از راه دور و همه ی توقفگاه ها. یکی مهمترین کاربردهای شارژ بی سیم استفاده در خودروهای الکتریکی است. با استفاده از فناوری شارژ بی سیم به جای متصل کردن خودرو به وسیله ی کابل های بزرگ به منبع تغذیه می توان با پارک کردن خودرو روی پد های شارژ بی سیم اتومبیل را شارژ کرد. شرکت رنو به تازگی چنین سیستمی را در لندن با استفاده از پدهای Qualcomms Halo تست کرده است.

- انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به صورت مستقیم برای حذف اتصالات تغذیه پرهزینه ی خودروهای الکتریکی که به صورت حلقه های لغزان و قلاب های اتصال هستند.

4- کاربردهای دیگر

- استفاده از انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به صورت مسقیم و خودکار برای دستگاه های پزشکی که در داخل بدن قرار می گیرند مانند: دستگاه هایی که در داخل شکم قرار می گیرند، دستگاه تنظیم کننده ضربان قلب و دستگاه هایی که با شوک الکتریکی از انقباض ماهیچه های قلب جلوگیری می کنند.

- شارژ بی سیم سیستم های پیشرفته ی نظامی مانند: دستگاه های متحرک که با باتری تغذیه می شوند، حسگرهای مخفی، ربات ها، هواپیماهای بدون سرنشین و ...

تا اینجا با تاریخچه ی انتقال بی سیم انرژی الکتریکی و تلاش های صورت گرفته برای دست یابی به آن و همچنین کاربردهای آن آشنا شدیم. در ادامه با روش های مختلفی که امروزه برای انتقال انرژی الکترکی از آن ها استفاده می شود آشنا می شویم.


روش های انتقال بی سیم انرژی الکتریکی

تاکنون روش های مختلفی برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی مطرح شده است اما در این بین چهار روش بیشتر از بقیه مورد توجه قرار گرفتند. در حال حاضر انتقال بی سیم انرژی الکتریکی به چهار روش انجام می شود که در ادامه با این چهار روش آشنا می شویم. پس از آشنایی با روش های انتقال بی سیم انرژی الکتریکی و مزایا و معایب هریک آن ها به این مسئله می پردازیم که کدام یک از این روش ها برای شارژ بی سیم دستگاه های الکترونیکی مانند تلفن های همراه مناسبتر است.

اولین روش برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی استفاده از امواج رادیویی یا امواج ماکروویو است. پیش از این گفتیم که این روش به دلیل پرهزینه و خطرناک بودن در دهه 1960 مورد توجه قرار نگرفت. اما چند سال قبل شرکت پاورکست که در پیتزبورگ پنسیلوانیا مستقر است، از این فناوری برای انتقال نیرویی در حد میکرو وات و یا میلی وات در فواصل بیش از 15 متر برای حسگرهای صنعتی استفاه کرد. آن ها معتقدند روزی از این روش می توان برای شارژ ابزارهای کوچک مانند: کنترل از راه دور، ساعت های زنگ دار و یا حتی موبایل استفاده کرد.

روش دوم انتقال انرژی الکتریکی که برای ابزارهای پرمصرف تر هم کاربرد دارد تاباندن یک پرتو لیزر فروسرخ کنترل شده به یک سلول فتوولتائیک است که پرتو را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این روش را شرکت PowerBeam واقع در سن خوزه کالیفرنیا ابداع کرد. این روش یک راه عملی برای انتقال انرژی الکتریکی به صورت بی سیم بود اما علی رقم تلاش های زیاد این شرکت در جهت افزایش کارایی این روش بازدهی آن تنها بین 15 تا 30 درصد بود.

با وجود اینکه می توان از این روش برای تامین نیروی دستگاه های پرمصرف استفاده کرد ولی این روش در عمل ضرر زیادی به همراه دارد. از این فناوری تاکنون برای تامین نیروی لامپ های بی سیم، بلندگوها و ایزارهای الکترونیکی با مصرف برق کمتر از 10 وات استفاده شده است.

این شرکت امیدوار است که در آینده و با ارتقای فناوری لیزر و سلول های فتوولتائیک بازدهی بالاتر از 50 درصد هم امکان پذیر شود. این شرکت معتقد است که هیچ دلیلی وجود ندارد که ما نتوانیم در نهایت یک لپ تاپ را با این روش شارژ کنیم.

اما در این بین عده ای هم هستند که نسبت به عملی بودن این روش برای ابزارهای واقعاً قابل حمل که دائماً درون و میان اتاق ها در حال جابجایی هستند تردید دارند. منو ترفرز رئیس کنسرسیوم نیروی بی سیم در هلند می گوید:«یک پرتو فروسرخ نمی تواند برای شارژ یک گوشی موبایل مناسب باشد چرا که یک موبایل معمولاً جای مشخصی ندارد و مدام در حال جابجایی است».

راه حل پاور بیم برای این مشکل قراردادن یک لامپ کوچک فلوئورسنت در دستگاه گیرنده است تا دوربینی که در فرستنده کار گذاشته شده است بتواند آن را رهگیری کند و امواج لیزر را به همان سو بفرستد. مشکل دیگری که برای این روش مطرح شده است این است که برای هر دستگاهی که می خواهد شارژ شود باید یک پرتو مجزا فرستاده شود. این امر از نظر محققان MIT برای مهندسان دردسر ساز خواهد بود.

اما می رسیم به سومین روش مرسوم برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی که جذابترین انتخاب برای کاربردهای بزرگ محلی است. این روش القای مغناطیسی نام دارد .عملکرد این روش به این صورت است که یک میدان مغناطیسی متناوب که از یک سیم پیچ ناشی می شود می تواند در سیم پیچ دیگری که در نزدیکی آن باشد جریان الکتریکی را القا کند. از این روش در ابزارهای زیادی همچون مسواک های برقی و شارژرهای بی سیم تلفن همراه استفاده می شود. اما این روش یک مشکل اساسی دارد، به رغم اینکه در تماس با سیم پیچ ها بازدهی دستگاه بسیار خوب است اما وقتی که تنها چند میلی متر فاصله وجود داشته باشد بازدهی به صفر می رسد.