مقدمة أساسية
التعريف والتكنولوجيا
يشير الشاحن اللاسلكي إلى الشاحن المتصل بجهاز طرفي يحتاج إلى الشحن بدون سلك طاقة شحن تقليدي. يعتمد على أحدث تقنيات الشحن اللاسلكي. باستخدام المجال المغناطيسي المتولد بين الملفات, يمكنه نقل الطاقة الكهربائية بطريقة سحرية. ستصبح تقنية الاقتران الحثي بمثابة جسر يربط بين محطات الشحن والمعدات الأساسية.
المزايا والعيوب
تم الحصول على تقنية الشحن اللاسلكي 20 براءات الاختراع في 2007. يمكن لمجموعة متنوعة من الأجهزة استخدام محطة شحن أساسية واحدة, صنع سيناريوهات الشحن السلكي للهواتف المحمولة, مشغلات MP3, أدوات كهربائية, ومحولات الطاقة الأخرى عفا عليها الزمن. تكمن ميزة تقنية الشحن اللاسلكي في ملاءمتها وتعدد استخداماتها. لكن, ومن عيوبه انخفاض كفاءته وقدرته على توفير الطاقة الكهربائية فقط.
العملية التاريخية
الاكتشاف التاريخي
مرة أخرى في ثلاثينيات القرن التاسع عشر, اكتشف مايكل فاراداي أن التغيرات في المجال المغناطيسي المحيط من شأنها أن تولد تيارًا كهربائيًا في السلك. في تسعينيات القرن التاسع عشر, تقدم العالم الصربي المولد نيكولا تيسلا بطلب للحصول على براءة الاختراع الأولى. للأسف, تأخر البحث في هذا المجال لمدة قرن بسبب انخفاض كفاءة النقل ومخاطر السلامة.
التطوير اللاحق
Professor Xu Shuyuan from the City University of Hong Kong successfully developed a “wireless battery charging platform” in the early years, والتي يمكنها شحن العديد من المنتجات الإلكترونية تلقائيًا على منصة الشحن من خلال المجالات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد. كما أحرز الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقدمًا في نقل الكهرباء لاسلكيًا. إن تصميم Soljacic لنقل الطاقة اللاسلكية غير الإشعاعية له حدود للمسافة, ويهدفون إلى زيادة الكفاءة 70% ل 80% في غضون ثلاث إلى خمس سنوات.
مبدأ العمل
الرنين والتحريض
لقد عرف الفيزيائيون منذ زمن طويل أن الطاقة تنتقل بكفاءة بين جسمين لهما نفس التردد. تستفيد تقنية الشحن اللاسلكي من هذا المبدأ, تطبيق مبدأ تحريض الموجات الكهرومغناطيسية وتكنولوجيا تحريض التيار المتردد ذات الصلة. يستخدم الملفات المقابلة في طرفي الإرسال والاستقبال لإرسال واستقبال إشارات التيار المتردد المستحثة للشحن.
التطبيق العملي
نوع جديد من الشاحن اللاسلكي, تم اختراعه في الأصل من قبل شركة بريطانية, يشبه لوحة ماوس بلاستيكية مزودة بمجموعة كثيفة من الملفات الصغيرة لتوليد مجال مغناطيسي ونقل الطاقة إلى شاحن مخصص. لفائف الاستقبال, مصنوعة من سبيكة مغناطيسية ملفوفة بالأسلاك, يمكن ربطها بسهولة بالمعدات الإلكترونية. This new invention allows multiple devices to be charged simultaneously anywhere on the “mouse pad,” and the magnetic field generated is weak enough to not affect nearby items that use magnetic recording data.
مبادئ الشحن اللاسلكي
يعتمد نظام الشحن اللاسلكي بشكل أساسي مبدأ الحث الكهرومغناطيسي ويحقق نقل الطاقة من خلال اقتران الطاقة من خلال الملفات. كما هو مبين في الشكل, عندما يعمل النظام:
- تقوم محطة الإدخال بتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر من خلال دائرة مقوم الجسر الكامل, أو يوفر الطاقة مباشرة للنظام باستخدام محطة تيار مستمر 24 فولت.
- بعد المرور عبر وحدة إدارة الطاقة, يتم تحويل التيار المباشر الناتج إلى تيار متناوب عالي التردد بواسطة مذبذب الكريستال النشط 2M ويتم توفيره للملف الأساسي.
- تقترن الطاقة من خلال ملفين حثيين, ويتم تحويل الإخراج الحالي بواسطة الملف الثانوي إلى تيار مباشر بواسطة دائرة تحويل الاستقبال لشحن البطارية.
سوف ينتج عن المجال المغناطيسي المتغير مجال كهربائي متغير, والعكس صحيح. وترتبط أحجامها بمعدل تغيرها, ويؤدي معدل تغير الدالة الجيبية إلى ظهور دالة جيبية أخرى. لذلك, يمكن أن تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية, ويرتبط توليد الجهد المستحث للملف بالتغير في التدفق المغناطيسي. هكذا, يولد المجال المغناطيسي المتغير داخل الملف جهدًا مستحثًا, استكمال عملية الشحن.
الشحن اللاسلكي للهاتف المحمول
يعد الشحن اللاسلكي للهاتف المحمول طريقة شحن جديدة نسبيًا. مبدأها واضح ومباشر: فصل المحولات الأولية والثانوية عن المحولات العادية لتحقيق الأغراض اللاسلكية. بشكل ملحوظ, معدل عمل الشحن اللاسلكي مرتفع, وحتى اللب الحديدي يمكن التخلص منه, مع تحقيق الملف المباشر وظيفة نقل الطاقة.
الميزات الأساسية لتقنية الشحن اللاسلكي
أمان
من الناحية النظرية, تقنية الشحن اللاسلكي غير ضارة بسلامة الإنسان. مبدأ الرنين المستخدم في الشحن اللاسلكي هو رنين المجال المغناطيسي, الذي ينقل فقط بين الملفات التي يتردد صداها على نفس التردد, بينما لا تستطيع الأجهزة الأخرى قبول النطاق. المجال المغناطيسي المستخدم بحد ذاته غير ضار بجسم الإنسان. لكن, كونها تقنية جديدة, قد يكون لدى بعض الأشخاص مخاوف أولية, على غرار ظهور أعمدة هوائي Wi-Fi والهاتف المحمول لأول مرة. في الواقع, التكنولوجيا نفسها غير ضارة.
الرنين المغناطيسي
تستخدم تقنية الشحن اللاسلكي من شركة Maiyuan الرنين المغناطيسي لنقل الشحنات في المجالات الكهربائية والمغناطيسية بين الشاحن والجهاز. يشكل الملف والمكثف رنينًا بين الشاحن والجهاز.
تطبيقات واسعة
تدعي شركة Maiyuan أن هذا النظام يمكن استخدامه على نطاق واسع في المستقبل, مثل مناطق شحن السيارات الكهربائية ونقل الطاقة لرقائق الكمبيوتر. يتم تقليل وقت الشحن الذي يتطلبه نظام الشحن الذي طورته هذه التقنية بشكل كبير مقارنة بالطرق الحالية.
ارتفاع معدل التحويل
معدل التحويل للشحن اللاسلكي في Maiyuan أعلى بعدة نقاط مئوية من معدل الشحن السلكي. يعد التحويل العالي أمرًا بالغ الأهمية للتطبيق العالمي لأجهزة الشحن اللاسلكية. لكن, تقنية الشحن اللاسلكي محدودة بالمسافة. للتطوير المستقبلي, من الضروري حل مشكلة تحديد الموقع الدقيق لنطاق الموجة ونطاق المجال المغناطيسي للإرسال لمسافات طويلة.
تحديات الشريحة الأساسية
تمثل الشريحة الأساسية تحديًا كبيرًا في تطبيق تقنية الشحن اللاسلكي في المنتجات. التحكم الدقيق في نطاق الإشعاع, تردد المجال المغناطيسي, ويتم تنفيذ الضوابط الأخرى بواسطة الرقائق.
ملخص المشكلة
عنق الزجاجة في تطوير تطبيقات السوق
- عيوب تقنية الشحن اللاسلكي الأساسية
- صعوبة تحقيق الإرسال لمسافات طويلة
- متطلبات الأجهزة العالية لتحديد المواقع لمسافات طويلة
- مطابقة الارتفاع المتحكم فيه والصغير لرنين المجال المغناطيسي
- نطاق التطبيق محدود
- عوامل السوق – Developers are hesitant to invest heavily in technology research and development due to consumer psychology.
خطر الإشعاع
يذكر باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الجسم يستجيب بقوة للمجالات الكهربائية ولكن بالكاد يستجيب للمجالات المغناطيسية, مما يشير إلى أن النظام لن يؤثر على صحة الإنسان. لكن, هذا أمر تخميني. بعض الباحثين يعبرون عن قلقهم, ومن الضروري إجراء المزيد من التجارب قبل التطبيق على أرض الواقع. كمنتج شحن إلكتروني, الشاحن نفسه ينبعث منه الإشعاع, لكن قوة الشاحن اللاسلكي صغيرة, وقت الشحن طويل, والإشعاع الناتج هو الحد الأدنى, لا تسبب ضررا يذكر للناس.
المنفذ الموحد
لتجنب النفايات غير الضرورية وتوليد المزيد من النفايات الإلكترونية, تنفذ الصين توحيدًا موحدًا لمنافذ شحن الهواتف المحمولة. من المتوقع أن تصبح تقنية الشحن اللاسلكي شائعة, يمكن استخدامها ليس فقط للهواتف المحمولة ولكن أيضًا للكاميرات الرقمية, آيفون, أجهزة آيباد, والدفاتر. وتهدف شركة فوجيتسو اليابانية إلى توسيع هذا النجاح من الأجهزة الإلكترونية المحمولة إلى شحن السيارات الكهربائية. Their ultimate goal is to set up public “charging points” on streets, توفير خدمات شحن مريحة في جميع الأحوال الجوية على مدار 24 ساعة للأجهزة الرقمية المحمولة ومستخدمي السيارات الكهربائية. أجهزة الشحن اللاسلكية أكثر ذكاءً وكفاءة في استخدام الطاقة. على الرغم من أن كفاءتهم على وشك 70%, يساوي معدات الشحن السلكية, لديهم وظيفة إيقاف التشغيل التلقائي عند شحنها بالكامل, تجنب استهلاك الطاقة غير الضرورية. معدلات قبول الأداء في تحسن مستمر.
جهاز استقبال شحن مدمج للهاتف المحمول ومعيار شحن لاسلكي موحد
من خلال دمج جهاز استقبال الشحن في الهواتف المحمولة وإنشاء معيار شحن لاسلكي موحد, ويمكن تعزيز اعتماد الشحن اللاسلكي وملاءمته بشكل أكبر.
نظرة عامة على تقنية الشحن اللاسلكي
لتحقيق الشحن اللاسلكي للهواتف المحمولة وغيرها من المنتجات, يجب أن يكون هناك جزأين: الارسال, وهو متصل بمصدر الطاقة ومسؤول عن نقل الطاقة الكهربائية إلى مساحة واسعة, والمتلقي, والتي يتم تركيبها بشكل عام على المنتجات الإلكترونية وتستخدم لتلقي الطاقة الكهربائية. بدأ استخدام تقنية الشحن اللاسلكي في منتجات الهواتف المحمولة. لنأخذ الآيفون كمثال, wireless charging manufacturers have refitted it and installed a kind of “clothes” similar to “apple peel”. كجهاز استقبال للشحن اللاسلكي, فتظهر على شكل إضافة علبة شحن الهاتف المحمول, ولكن يمكن إطلاق المنتجات المعدلة ذات الصلة في الصين. Dubbed the “Qi Door,” the case supports both iPhones and BlackBerrys, منح المستخدمين إمكانية الوصول المبكر إلى الميزة دون الحاجة إلى استبدال هواتفهم. في وقت مبكر 2013, the wireless charging receiver will be fully “slimmed down” and become a wireless charging receiving chip built into mobile phones, فقط بحجم ظفر الإصبع. نوكيا, فيليبس, إل جي, سامسونج, سوني اريكسون, ايفون, اتش تي سي, جوجل, زد تي إي, حاد, حافة, والعديد من شركات تصنيع الهواتف المحمولة المشهورة عالميًا تدعم جميعها هذه التقنية, ويمكن أيضًا تضمين أجهزة الشحن اللاسلكية مع الهواتف المحمولة للبيع.
التوافق ومعيار تشى
أهمية التوافق
مفتاح الشحن اللاسلكي للهواتف المحمولة هو التوافق, ويمكن لمعيار Qi ضمان توافق العلامة التجارية. تستخدم تقنية الشحن اللاسلكي بشكل أساسي التكنولوجيا الكهرومغناطيسية. يقوم جهاز الإرسال بتحويل التيار إلى كهرومغناطيسي, ويستخدم الهاتف المحمول جهاز استقبال الشريحة المدمج لتحويل الكهرومغناطيسي إلى تيار لشحن الهاتف المحمول. إن مفتاح الترويج لتكنولوجيا الشحن اللاسلكي هو التأكد من توافق أجهزة الشحن اللاسلكية من مختلف الشركات المصنعة.
معيار تشي
تتيح صياغة معيار Qi للشحن اللاسلكي الحصول على مواصفات فنية موحدة وتضمن توافق نفس الشاحن مع العديد من العلامات التجارية والمنتجات. مينو تريفرز, رئيس تحالف الشحن اللاسلكي, وقال إن معيار الشحن اللاسلكي Qi يستخدم تقنية الحث الكهرومغناطيسي, وهو أكثر كفاءة وأمانًا من التقنيات الأخرى. يتضمن معيار الشحن اللاسلكي Qi ثلاثة جوانب: واجهة, أداء, واللوائح. يعد هذا تحديًا كبيرًا لتعميم تقنية الشحن اللاسلكي. لذلك, يمكن تشغيل الهواتف المحمولة التي تتوافق مع معيار Qi بواسطة أي محطة قاعدة شحن معتمدة من Qi, قاعدة, أو غيرها من الأجهزة القابلة لإعادة الشحن. المتطلبات المسبقة الأولى لـ Qi للأجهزة ليست أعلى من 5 واتس, والذي قد يمثل قيدًا كبيرًا لبعض الشركات المصنعة التي تريد أن تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة تقنية الشحن اللاسلكي أيضًا.
مدى توفر منتجات Qi القياسية في السوق
أطلق المصنعون منتجات الشحن اللاسلكي القياسية Qi, والسوق واسعة النطاق. أكبر شركة مصنعة للبطاريات ومعدات الإضاءة المحمولة في العالم إنرجايزر (إنرجايزر) قالت إنها ستطلق قريبًا منتج شاحن لاسلكي يدعم معيار Qi, وسيقدم أولاً تجربة شحن لاسلكية جديدة لمستخدمي Apple iPhone3GS وBlackberry Blackberry Curve8900. في نفس الوقت, وفقًا للبيانات المقدمة من شركة أبحاث السوق iSuppli, وصل سوق معدات الشحن اللاسلكي إلى نطاق واسع 14 مليار دولار أمريكي في 2013. بدأت شركة Philips بالفعل في تصنيع هواتف جديدة تتضمن الشحن اللاسلكي. لقد ظهر بالفعل الهاتف المحمول Philips X723, ويتميز بشاشة 3.2 بوصة بدقة 240X400 مزودة بنظام تحديد المواقع وكاميرا بدقة 3 ميجابكسل. والخبر السار هو أن الجهاز يأتي بشكل قياسي مع شاحن لاسلكي XeniumQ1 (معيار تحالف الشحن اللاسلكي Qi), ولكن لم يتم الكشف عن وقت الإطلاق المحدد والسعر.
تلقي الهوائي
على الرغم من أن هذه المقالة تركز على أجهزة الشحن, كما يوفر لمحة عامة عن هوائيات الاستقبال. لأن هذا النوع من أجهزة الشحن اللاسلكي هو في الأساس محول, يتم تثبيت الأساسي في الشاحن, ويتم تثبيت الثانوي في المحطة.
اختيار هوائي الشحن الجيد
لأن هوائي الاستقبال غير المتوافق مع الشاحن سوف يسبب تقلبات تيار في دائرة الشحن, كيفية اختيار هوائي الشحن الجيد?
يحتاج الهوائي الطرفي إلى حماية مغناطيسية
إذا كان هوائي الشحن عبارة عن ملف مجوف فقط, عندما تقترب الأجسام المعدنية القريبة, وسوف يسبب التيار الدوامي, مما سوف يقلل من كفاءة الشحن, منع طاقة الشاحن من الإشعاع, زيادة التيار, ويتسبب في تسخين الشاحن.
اختيار المتوسطة المغناطيسية
ينقسم الوسط المغناطيسي الذي يختاره الشاحن إلى فئتين: المواد المغناطيسية العضوية والمواد المغناطيسية غير العضوية. يمكن جعل المادة المغناطيسية العضوية رقيقة جدًا ومشوهة, وهو مناسب لربط الغطاء الخلفي للهاتف المحمول واستخدامه في الهاتف المحمول; تتكون المادة المغناطيسية غير العضوية من الفريت الملبد, وهي هشة ومناسبة للتركيب في المساحات الكبيرة.