نقل الطاقة لاسلكيًا مع MOSFET

يتم تصنيع ترانزستور التأثير الميداني لأشباه الموصلات وأكسيد المعدن باستخدام أكسدة يتم التحكم فيها بالسيليكون في أغلب الأحيان. في الوقت الحاضر، هذا هو نوع الترانزستور الأكثر استخدامًا لأن الوظيفة الرئيسية لهذا الترانزستور هي التحكم في التوصيل، وإلا فإن مقدار التيار الذي يمكن توفيره بين أطراف مصدر وصرف الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) يعتمد على مجموع الجهد المطبق على طرف البوابة الخاص به. ينتج الجهد المطبق على طرف البوابة مجالًا كهربائيًا للتحكم في توصيل الجهاز. تُستخدم الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) في إنشاء دوائر تطبيقية مختلفة مثل محولات DC-DC، والتحكم في المحركات، العاكسون , نقل الطاقة لاسلكيا إلخ. تتناول هذه المقالة كيفية تصميم دائرة نقل الطاقة اللاسلكية باستخدام كفاءة عالية موسفيت .

نقل الطاقة لاسلكيًا مع MOSFET

المفهوم الرئيسي لهذا هو تصميم نظام WPT (نقل الطاقة لاسلكيًا) مع MOSFETs والاقتران الحثي الرنيني للتحكم في نقل الطاقة بين ملف Tx وRx. يمكن القيام بذلك عن طريق شحن ملف الرنين من التيار المتردد، وبعد ذلك يتم نقل الإمداد اللاحق إلى الحمل المقاوم. هذه الدائرة مفيدة في شحن الأجهزة منخفضة الطاقة بسرعة كبيرة وبقوة من خلال الاقتران الحثي لاسلكيًا.

يمكن تعريف نقل الطاقة لاسلكيًا على أنه؛ يُعرف نقل الطاقة الكهربائية من مصدر الطاقة إلى الحمل الكهربائي لمسافة دون أي كابلات أو أسلاك موصلة باسم WPT (نقل الطاقة لاسلكيًا). يُحدث نقل الطاقة لاسلكيًا تغييرًا غير عادي في مجال الهندسة الكهربائية حيث يلغي استخدام الكابلات النحاسية التقليدية وكذلك الأسلاك الحاملة للتيار. يتميز نقل الطاقة اللاسلكي بالكفاءة والموثوقية وانخفاض تكلفة الصيانة وسرعة المدى الطويل أو القصير. يُستخدم هذا لشحن الهاتف الخلوي أو البطارية القابلة لإعادة الشحن لاسلكيًا.

المكونات المطلوبة

يشتمل نقل الطاقة اللاسلكية باستخدام دائرة MOSFET بشكل أساسي على قسم جهاز الإرسال وقسم جهاز الاستقبال. تتضمن المكونات المطلوبة لإنشاء قسم جهاز الإرسال لنقل الطاقة اللاسلكية بشكل أساسي؛ مصدر الجهد (Vdc) – 30 فولت، المكثف 6.8 نانو فاراد، ملفات التردد اللاسلكي (L1 & L2) 8.6 μH و8.6 μH، ملف الإرسال (L) – 0.674 μH، المقاومات R1-1K، R2-10 K، R3-94 أوم، R4-94 أوم، R5-10 K، المكثف C يعمل مثل المكثفات الرنانة، الثنائيات D1-D4148، D2-D4148، MOSFET Q1-IRF540 و MOSFET Q2-IRF540

تتضمن المكونات المطلوبة لإنشاء قسم جهاز الاستقبال لنقل الطاقة لاسلكيًا بشكل أساسي؛ الثنائيات D1 إلى D4 – D4007، المقاوم (R) – 1 كيلو أوم، منظم ضغط كهربي IC – LM7805 IC، ملف الاستقبال (L) – 1.235μH، المكثفات مثل C1 – 6.8nF وC2 هي 220μF.

نقل الطاقة لاسلكيًا مع اتصالات MOSFET

فيما يلي توصيلات قسم جهاز إرسال نقل الطاقة اللاسلكي:

• يتم توصيل الطرف الموجب للمقاوم R1 بمصدر جهد 30 فولت ويتم توصيل الطرف الآخر بـ LED. يتم توصيل طرف الكاثود الخاص بـ LED بـ GND من خلال المقاوم R2.
• يتم توصيل الطرف الموجب للمقاوم R3 بمصدر جهد 30 فولت ويتم توصيل طرف آخر بطرف بوابة MOSFET. هنا، يتم توصيل طرف الكاثود الخاص بمصباح LED بطرف بوابة MOSFET.
• يتم توصيل محطة تصريف MOSFET بمصدر الجهد من خلال الطرف الموجب للصمام الثنائي و اداة الحث 'L1'.
• يتم توصيل محطة مصدر MOSFET بـ GND.
• في المحث 'L1' يتم توصيل طرف آخر بطرف الأنود الخاص بالدايود D2 ويتم توصيل طرف الكاثود الخاص به بالمقاوم R3 من خلال المكثفات 'C' والمحث 'L'.
• يتم توصيل الطرف الموجب للمقاوم R4 بمصدر الجهد ويتم توصيل الطرف الآخر للمقاوم بمحطة بوابة MOSFET من خلال أطراف الأنود والكاثود للثنائيات D1 و D2.
• يتم توصيل الطرف الموجب للمحث 'L2' بمصدر الجهد ويتم توصيل الطرف الآخر بطرف تصريف MOSFET من خلال طرف الأنود للصمام الثنائي 'D2'.
• يتم توصيل محطة مصدر MOSFET بـ GND.

فيما يلي توصيلات قسم مستقبل نقل الطاقة اللاسلكي:

• يتم توصيل الأطراف الموجبة للمحث 'L' والمكثف 'C1' بطرف الأنود لـ D1، ويتم توصيل الأطراف الأخرى للمحث 'L' والمكثف 'C1' بطرف الكاثود لـ D4.
• يتم توصيل محطة أنود الصمام الثنائي D2 بمحطة كاثود الصمام الثنائي D3 ويتم توصيل محطة أنود الصمام الثنائي D3 بمحطة أنود الصمام الثنائي D4.
• يتم توصيل محطة كاثود الصمام الثنائي D2 بمحطة كاثود الصمام الثنائي D1 ويتم توصيل محطة أنود الصمام الثنائي D1 بأطراف أخرى للمحث 'L' والمكثف 'C1'.
• يتم توصيل الطرف الموجب للمقاوم 'R' بأطراف الكاثود في D1 و D2 ويتم توصيل أطراف المقاومة الأخرى بطرف أنود من LED ويتم توصيل طرف الكاثود من LED بـ GND.
• يتم توصيل الطرف الموجب للمكثف C2 بطرف إدخال LM7805 IC، ويتم توصيل طرفه الآخر بـ GND ويتم توصيل طرف LM7805 IC GND بـ GND.

عمل

تشتمل دائرة نقل الطاقة اللاسلكية هذه بشكل أساسي على قسمين: جهاز الإرسال والاستقبال. في هذا القسم، يتم تصنيع ملف جهاز الإرسال بسلك مطلي بالمينا بقطر 6 مم أو سلك مغناطيسي. في الواقع، هذا السلك عبارة عن سلك نحاسي عليه طبقة رقيقة من الطلاء العازل. يبلغ قطر ملف الإرسال 6.5 بوصة أو 16.5 سم وطول 8.5 سم.

تشتمل دائرة قسم جهاز الإرسال على مصدر طاقة تيار مستمر وملف جهاز إرسال ومذبذب. يوفر مصدر طاقة التيار المستمر جهدًا ثابتًا للتيار المستمر والذي يتم تقديمه كمدخل لدائرة المذبذب. بعد ذلك، يقوم بتغيير جهد التيار المستمر إلى طاقة تيار متردد بتردد عالي ويتم إعطاؤه لملف الإرسال. بسبب وجود تيار متردد عالي التردد، سيتم تنشيط ملف جهاز الإرسال لإنتاج مجال مغناطيسي متناوب داخل الملف.

ملف الاستقبال الموجود داخل قسم الاستقبال مصنوع من سلك نحاسي 18 AWG يبلغ قطره 8 سم. في دائرة قسم المستقبل، يحصل ملف المستقبل على تلك الطاقة كجهد متناوب مستحث في ملفه. يقوم المقوم الموجود في قسم جهاز الاستقبال هذا بتغيير الجهد من التيار المتردد إلى التيار المستمر. أخيرًا، يتم توفير جهد التيار المستمر المتغير هذا للحمل عبر مقطع التحكم في الجهد. وتتمثل المهمة الرئيسية لمستقبل الطاقة اللاسلكية في شحن بطارية منخفضة الطاقة من خلال اقتران حثي.

عندما يتم توفير مصدر الطاقة لدائرة المرسل، يتم إمداد التيار المستمر عبر جانبي الملفين L1 و L2 وإلى أطراف تصريف الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)، ثم يظهر الجهد عند أطراف بوابة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ويحاول تشغيل الترانزستورات .

إذا افترضنا أن MOSFET Q1 الأول قيد التشغيل، فسيتم تثبيت جهد التصريف الخاص بـ MOSFET الثاني ليقترب من GND. في الوقت نفسه، سيكون MOSFET الثاني في حالة إيقاف التشغيل، وسيزداد جهد التصريف لـ MOSFET الثاني إلى الذروة ويبدأ في الانخفاض بسبب دائرة الخزان التي أنشأها المكثف 'C' والملف الأساسي للمذبذب طوال نصف دورة واحدة.

مزايا نقل الطاقة اللاسلكية هي: أنها أقل تكلفة، وأكثر موثوقية، ولا تنفد طاقة البطارية أبدًا داخل المناطق اللاسلكية، كما أنها تنقل المزيد من الطاقة بكفاءة مقارنة بالأسلاك، ومريحة للغاية، وصديقة للبيئة، وما إلى ذلك. عيوب نقل الطاقة اللاسلكية هي؛ أن فقدان الطاقة مرتفع وغير اتجاهي وغير فعال لمسافات أطول.

ال تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكية تتضمن التطبيقات الصناعية التي تشمل أجهزة الاستشعار اللاسلكية فوق الأعمدة الدوارة، وشحن المعدات اللاسلكية وتشغيلها، وتأمين المعدات المقاومة للماء عن طريق إزالة أسلاك الشحن. وتستخدم هذه لشحن الأجهزة المحمولة والأجهزة المنزلية والطائرات بدون طيار والمركبات الكهربائية. يتم استخدامها لتشغيل وشحن الغرسات الطبية والتي تشمل؛ أجهزة تنظيم ضربات القلب، وإمدادات الأدوية تحت الجلد وغيرها من الغرسات. يمكن إنشاء نظام نقل الطاقة اللاسلكي هذا في المنزل/لوحة الخبز لفهم تشغيله. دعنا نرى

كيفية إنشاء جهاز WirelessPowerTranfer في المنزل؟

يمكن أن يكون إنشاء جهاز بسيط لنقل الطاقة لاسلكيًا (WPT) في المنزل مشروعًا ممتعًا وتعليميًا، ولكن من المهم ملاحظة أن بناء نظام WPT فعال مع خرج طاقة كبير يتضمن عادةً مكونات واعتبارات أكثر تقدمًا. يوضح هذا الدليل مشروع DIY الأساسي للأغراض التعليمية باستخدام أداة التوصيل الاستقرائي. يرجى العلم أن ما يلي منخفض الطاقة وغير مناسب لأجهزة الشحن.

المواد المطلوبة:

• ملف المرسل (ملف TX): ملف من الأسلاك (حوالي 10-20 دورة) ملفوف حول شكل أسطواني، مثل أنبوب PVC.

• ملف الاستقبال (RX Coil): يشبه ملف TX، ولكن يفضل أن يكون به عدد أكبر من اللفات لزيادة خرج الجهد.

• LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء): كحمل بسيط لتوضيح نقل الطاقة.

• N-channel MOSFET (على سبيل المثال، IRF540): لإنشاء مذبذب وتبديل ملف TX.

• الصمام الثنائي (على سبيل المثال، 1N4001): لتصحيح خرج التيار المتردد من ملف RX.

• مكثف (على سبيل المثال، 100μF): لتسهيل الجهد المعدل.

• المقاوم (على سبيل المثال، 220 أوم): للحد من تيار LED.

• البطارية أو مصدر طاقة التيار المستمر: لتشغيل جهاز الإرسال (TX).

• اللوح وأسلاك التوصيل: لبناء الدائرة.

• مسدس الغراء الساخن: لتأمين الملفات في موضعها.

شرح الدائرة:

دعونا نرى كيف يجب توصيل دائرة الإرسال والاستقبال.

جانب المرسل (TX):

• البطارية أو مصدر التيار المستمر: هذا هو مصدر الطاقة لجهاز الإرسال. قم بتوصيل الطرف الموجب للبطارية أو مصدر طاقة التيار المستمر بالسكة الإيجابية للوحة التجارب. قم بتوصيل الطرف السالب بالسكة السالبة (GND).

• ملف TX (ملف المرسل): قم بتوصيل أحد طرفي ملف TX بطرف التصريف (D) الخاص بـ MOSFET. يتصل الطرف الآخر من ملف TX بالسكة الإيجابية للوحة، حيث يتم توصيل الطرف الموجب لمصدر الطاقة الخاص بك.

• MOSFET (IRF540): يتم توصيل محطة المصدر (S) الخاصة بـ MOSFET بالسكة السلبية (GND) للوحة. يؤدي هذا إلى ربط طرف مصدر MOSFET بالطرف السالب لمصدر الطاقة لديك.

• طرف البوابة (G) لـ MOSFET: في الدائرة المبسطة، تُترك هذه المحطة غير متصلة، مما يؤدي إلى تشغيل MOSFET بشكل مستمر.

جانب جهاز الاستقبال (RX):

• LED (الحمل): قم بتوصيل الأنود (السلك الأطول) الخاص بمصباح LED بالسكة الإيجابية للوحة. قم بتوصيل الكاثود (السلك الأقصر) الخاص بمصباح LED بأحد طرفي ملف RX.

• ملف RX (ملف الاستقبال): يجب توصيل الطرف الآخر من ملف RX بالسكة السالبة (GND) للوحة. يؤدي هذا إلى إنشاء دائرة مغلقة لمصباح LED.

• الصمام الثنائي (1N4001): ضع الصمام الثنائي بين كاثود LED والسكة السالبة (GND) للوحة. يجب توصيل كاثود الصمام الثنائي بكاثود LED، ويجب توصيل الأنود الخاص به بالسكة السالبة.

• مكثف (100μF): قم بتوصيل أحد أسلاك المكثف بكاثود الصمام الثنائي (جانب الأنود من LED). قم بتوصيل السلك الآخر للمكثف بالسكة الإيجابية للوحة. يساعد هذا المكثف على تخفيف الجهد المصحح، مما يوفر جهدًا أكثر استقرارًا لمصابيح LED.

هذه هي الطريقة التي يتم بها توصيل المكونات في الدائرة. عندما تقوم بتشغيل جانب جهاز الإرسال (TX)، يقوم ملف TX بتوليد مجال مغناطيسي متغير، مما يؤدي إلى توليد جهد كهربائي في ملف RX على جانب جهاز الاستقبال (RX). يتم تصحيح هذا الجهد المستحث وتنعيمه واستخدامه لتشغيل مؤشر LED، مما يوضح نقل الطاقة لاسلكيًا في شكل أساسي للغاية. تذكر أن هذا عرض توضيحي وتعليمي للطاقة المنخفضة، وغير مناسب لتطبيقات الشحن اللاسلكي العملية.