سیم نامرئی: چگونه شارژ بی سیم یک ترانسفورماتور بدون هسته است

مقدمه

تلفن خود را روی یک پد قرار دهید و شارژ می شود - بدون لمس فلز، بدون دوشاخه. چیزی که شبیه جادو به نظر می رسد در واقع یک ترانسفورماتور است که هسته آهنی آن برداشته شده است. یک شارژر بی سیم دو سیم پیچ است: یکی در پد (فرستنده یا Tx ) و دیگری در داخل دستگاه شما (گیرنده یا Rx ). آنها به جای اینکه یک هسته چند لایه را به اشتراک بگذارند، از طریق یک میدان مغناطیسی در حال تغییر در یک شکاف هوا صحبت می کنند. برای یک مبتدی، فکر کنید که دو نفر یک آهنگ را با دیواری بین آنها زمزمه می کنند - لرزش از آن عبور می کند، اما هیچ چیز به هم وصل نمی شود.

اصل و انواع

هر دو سیم پیچ از قانون القایی فارادی پیروی می کنند (که در سال 1831 کشف شد): یک جریان متغیر در سیم پیچ Tx باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در حال تغییر می شود و آن میدان ولتاژی را در سیم پیچ Rx القا می کند. با توجه به IEEE و کنسرسیوم برق بی سیم (WPC)، این "شارژ القایی" است - همان فیزیک هر ترانسفورماتور، فقط با ضریب جفت k بسیار کمتر از 1. یک ترانسفورماتور قدرت معمولی به k ≈ 0.99 می رسد. یک سیستم Qi معمولاً در حدود k = 0.3-0.7 قرار دارد (تگزاس اینسترومنتز، یادداشت برنامه WPC). شکاف را ببندید و سیم پیچ ها را تراز کنید و k افزایش می یابد. آنها را کج یا افست کنید و فرو می ریزد.

استاندارد Qi (IEC 63563-1:2025) سیم پیچ ها را با فرکانس 87-205 کیلوهرتز اجرا می کند. از آنجایی که کوپلینگ شل است، مهندسان یک خازن تشدید به هر سیم پیچ اضافه می کنند - معمولاً مخزن سری ("SS") (بررسی توان بی سیم IEEE) - بنابراین این جفت مانند یک مدار تنظیم شده رفتار می کند. ضریب کیفیت یک سیم پیچ Q (انرژی ذخیره شده ÷ انرژی از دست رفته در هر چرخه) میزان مسافتی را که توان قبل از محو شدن طی می کند را تعیین می کند.

مثال کاربردی

در یک پد Qi، DC از دیوار به AC با فرکانس بالا در سیم پیچ Tx تبدیل می شود. یک سپر فریت در پشت هر سیم پیچ به جای اینکه به باتری وارد شود، به سمت جلو حرکت می کند. میدان از یک شکاف هوایی 2 تا 8 میلی متری عبور می کند، AC را در سیم پیچ Rx القا می کند، که یکسو کننده همزمان آن را به 5 V / 9 V DC برای باتری تبدیل می کند. راندمان برای شارژر Qi 15 واتی (طراحی‌های دارای گواهی WPC) معمولاً 70 تا 80 درصد سرتاسر است و وقتی تلفن از مرکز خارج می‌شود، کاهش می‌یابد. دو طرف همچنین "صحبت می کنند": گیرنده بار خود (ASK) را تعدیل می کند تا سطح شارژ را گزارش کند، و فرستنده فرکانس (FSK) را برای تنظیم قدرت تغییر می دهد - یک حلقه بسته که همه چیز را ایمن نگه می دارد.

تصور غلط رایج و واقعیت جالب

تصور غلط: "این انرژی مانند وای فای در هوا پخش می شود." درست نیست. این القای مغناطیسی میدان نزدیک است - یک ترانسفورماتور که در یک شکاف تقسیم می شود. زمین به دلیل فاصله و ناهماهنگی به شدت سقوط می کند، به همین دلیل است که یک سکه در چند سانتی متری به سختی جفت می شود. همان میدان ضعیف محلی، تشخیص اشیاء خارجی را فعال می‌کند: فلز سرگردان از جریان‌های گردابی گرم می‌شود، بنابراین Qi قدرت را در حدود 200 میلی‌ثانیه (بر اساس مشخصات Qi v1.3) متوقف می‌کند. این یک ویژگی ایمنی است، نه پخش.

واقعیت جالب: اصل یکسان به طور چشمگیری افزایش می یابد. Qi2 (2023) تراز مغناطیسی را اضافه می کند و به 25 وات می رسد. برنامه WPC "Ki" وسایل آشپزخانه بی سیم را تا 2.2 کیلو وات افزایش می دهد. و لنت های وسایل نقلیه الکتریکی کیلووات را در یک شکاف کف گاراژ انتقال می دهند. مسواک برقی شما و NFC Tap-to-Pay (13.56 مگاهرتز) از همان ترفند کویل کوپل شده استفاده می کنند. به نظر می رسد که ترانسفورماتور مدت ها قبل از تلفن شما بی سیم بوده است.