Thứ Bảy, 10 tháng 12, 2011

Truyền điện không dây




I Lịch sử
Năm 1865, nhà vật lý người Anh James Clerk Maxwell đã kết hợp các định luật về điện và từ đã biết để tạo ra lý thuyết Maxwell. Lý thuyết này dựa trên sự tồn tại của các trường, hiểu nôm na là môi trường truyền 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 các ứng dụng của lý thuyết Maxwell ngày nay con người đã tạo ra vô vàn các thiết bị điện tử để có thể truyền tín hiệu đi xa hàng vạn km trong không gian . Với yêu cầu ngày càng cao của con người, nhân loại lại một lần nữa đặt ra câu hỏi " Liệu có thể vừa truyền tín hiệu sóng điện từ đi xa vừa có thể truyền năng lượng cung cấp cho thiết bị thu tín hiệu này mà không cần dây dẫn hay không?". Đây là một câu hỏi mà cho đến bây giờ vẫn đang còn làm đau đầu các nhà khoa học trên khắp thế giới vì rằng để truyền được một nguồn điện đủ lớn cho thiết bị có thể hoạt động trong một khoảng cách dài là điều không hề dễ một chút nào.

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

II cơ sở lý thuyết
Để hiểu rõ và chi tiết hơn cũng như các công thức về các định luật vật lý xin mời các bạn tra từ điển bách khoa toàn thư mở Wikipedia . Ở đây tôi xin tóm lược lại 1 vài ý chính trong các 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 cảm ứng điện từ mà Michael Faraday đã làm thực nghiệm và rút ra được kết luận 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 phụ thuộc vào tốc độ biến thiên của từ trường và chiều của dòng điện phụ thuộc 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 nhân sinh ra nó "... Ái chà bắt đầu căng thẳng 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 . Bạn cầm thanh nam châm và di chuyển cực Bắc của thanh nam châm vào trong cuộn dây . Ngay lập tức cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng . Dòng điện cảm ứng này theo hiện tượng cảm ứng điện từ sẽ sinh ra một từ trường có chiều ngược lại với thanh nam châm , nghĩa là nó cũng sinh ra một từ trường có cực Bắc bên ngoài và cực Nam bên trong và có xu hướng đẩy thanh nam châm trong tay bạn đi ra khỏi cuộn dây . Khi bạn kéo thanh nam châm ra khỏi cuộn dây thì ngay lập tức dòng điện cảm ứng đổi chiều làm từ trường đổi cực và hút thanh nam châm trở lại . Khi bạn di chuyển thanh nam châm vào ra trong lòng cuộn dây với tốc độ 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 di chuyển thanh nam châm của bạn và đó cũng chính là nguyên tắc của máy phát điện !

d Mạch dao động LC


Mạch dao động LC là một mạch điện bao gồm 1 cuộn dây và 1 tụ điện mắc song song với nhau (như hình vẽ thứ nhất). Bản thân mạch dao động LC là một mạch không hề ...dao động trừ phi ta cấp 1 nguồn điện V hoặc cung cấp một từ thông biến thiên ban đầu vào cho mạch .
Ở đây để cho dễ hiểu bạn hình dung cuộn dây đóng vai trò như một máy phát điện và tụ điện đóng vai trò như một bình ắc quy lưu điện .
chuyện gì xãy ra khi ta cấp nguồn điện ban 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 .
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 đại 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 ban 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 cảm ứng điện từ lại xãy ra và cứ như thế bên trong mạch LC tồn tại 1 dòng điện xoay chiều hình sine .
Dòng điện dao động này sẽ đạt cực đại 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 dao động 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 quá trình này sẽ tồn tại mãi mãi nếu như hai ""anh chị" LC không ...bước ra khỏi lý thuyết !
Trong thực tế vì cuộn dây L được cấu tạo từ vật liệu bình 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 tạo nên tụ không cách điện hoàn toàn . Chính vì vậy mạch cộng hưởng LC trong thực tế còn có thêm một điện trở thuần làm tiêu hao năng lượng bên trong mạch . Do đó tín hiệu trong mạch cộng hưởng LC chính là các dao động tắt dần có dạng hình chuông !


Hình trên cho 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

Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng. Sóng điện từ cũng bị lượng tử hoá thành những "đợt sóng" có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon.
Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo 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 năng lượng mang theo càng lớn , khả năng 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 các thiết bị di động


Vì module VCO là linh 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 kiểm soát an ninh RFID (Radio Frequency Identification) .
RFID là hệ thống nhận dạng thiết bị dựa trên sóng radio có tần số sóng mang 13,56MHZ . 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 chuyển đổi thành điện năng cấp cho bộ vi xử lý hoạt động , sau đó bộ vi xử lý trong thẻ sẽ gửi trả lại tín hiệu ID của thẻ để hệ thống nhận dạng ...

Trở lại với việc dùng VCO làm linh 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 đảo và qua mosfet để lái dòng vào mạch cộng hưởng LC

Sơ đồ thử nghiệm chi tiết như sau :




click vào Đây để xem rõ hơn

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 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


tính toán giá trị của khung cộng hưởng LC (áp dụng vật lý 12 phần điện xoay chiều - NXBGD)


Lưu ý các giá trị sau khi tính toán có được mà linh kiện không có trên thị trường thì ta sử dụng các biện pháp điều chỉnh bằng cách gia giảm các thông số và dùng dao động ký để quan sát biên độ tín hiệu đầu ra mạch thu . Việc này đòi hỏi sự kiên nhẫn , tỉ mĩ và chính xác .

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 15cm


Kết quả thu được cũng tương tự như trên nhưng mạch công suất của mạch điện trở nên nóng hơn , các mosfet đòi hỏi phải có cánh nhôm tỏa nhiệt khá lớn mới chịu được . Điều này là không thể chấp nhận được vì hiệu suất của mạch quá thấp . Hơn nữa mục tiêu cụ thể tiếp theo là làm một bộ sạc không dây cho điện thoại, để làm cho thiết bị có thể đưa vào ứng dụng được tôi quyết định thay đổi toàn bộ mô hình 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 điều chỉnh độ rộng xung (PWM)
- thêm mạch chỉnh lưu và ổn áp đầu ra ở mạch thu


Xem tiếp phần 2 với mạch điện hoàn thiện và sản phẩm thương mại


video demo V1



video demo V2







link tham khảo

google with " wireless electricity"