فناوری شارژ وایرلس چیست؟

فناوری شارژ وایرلس یکی از ابداعات بشر است که تاریخچه آن به 100 سال گذشته باز می‌گردد اما از سال 2007 در دستگاه‌های هوشمند مورد بهره برداری قرار گرفته است. در این مقاله قصد داریم درباره تاریخچه این فناوری، استانداردهای شارژ وایرلس و فواید و مضرات این تکنولوژی نه چندان نوظهور مطالبی ارائه دهیم.

تاریخچه فناوری شارژ وایرلس

در سال 1891 نیکولا تسلا، مخترع سرشناس آمریکایی، موفق به ساخت یک سیم پیچ شد که آن را با عنوان “برج تسلا” می‌شناسند. هدف از ساخت این برج ایجاد میدان مغناطیسی و انتقال بی سیم جریان برق در هوا بود. تسلا همیشه این رویا را در سر داشت تا بتواند با ایجاد میدان مغناطیسی قوی در ارتعاشات هوا میلیون‌ها ولت جریان برق را به شهرها، کارخانه‌ها و منازل شخصی انتقال دهد.
تسلا با هدفی بلند پروازانه قصد داشت از طریق یک برج به ارتفاعی در حدود 57 و قطر 20.7، نیروی الگتریسیته را به صورت بی‌سیم به تمامی نقاط کره زمین انتقال دهد و در واقع روی کره زمین یک میدان مغناطیسی دیگر ایجاد کند. او هرگز به آرزوی خود نرسید و پس از تخریب شدن برج در سال 1917 برای همیشه به تاریخ پیوست.
لازم به ذکر است که قبل از نیکولا تسلا دانشمندان دیگری هم سعی بر انتقال بی‌سیم نیرو داشتند. ویلیام هنری وارد در سال ۱۸۷۱ و میلن لومیس در سال ۱۸۷۲ طرحی را برای انتقال برق ارائه دادند که براساس نظریه‌ی وجود لایه‌ای از برق در جو در ارتفاع پایین شکل گرفته بود. این دو مخترع معتقد بودند که می‌توان از این لایه که کاملا دردسترس است، برای انتقال جریان برق در هوا برای شارژ باتری‌ها، تأمین نور، گرمایش و حتی تأمین نیروی حرکتی استفاده کرد.
توسعه‌ی فناوری‌های امواج مایکروویو قبل از آغاز جنگ جهانی دوم باعث شد در دهه‌ی ۱۹۶۰ دانشمندی به‌نام ویلیام براون توانست برای نخستین‌بار موفق به انتقال برق در مسافت طولانی شود. درضمن او موفق شد در سال ۱۹۶۴ با تبدیل امواج مایکرویو به برق DC، نیروی یک هواپیمای برقی را به‌صورت بی‌سیم تأمین کند.
در سال‌های ۱۹۸۷ و ۱۹۹۱ نیز پهپادهایی ساخته شدند که نیروی مورد‌نیاز آن‌ها به‌صورت بی‌سیم انتقال داده می‌شد. در سال ۲۰۰۳ نیز ناسا نخستین هواپیمای خود را تولید کرد که نیروی آن با لیزر تأمین می‌‌شد.
به‌طورکلی در قرن‌های نوزدهم و بیستم تلاش‌های زیادی برای انتقال‌ بی‌سیم نیرو انجام شد که هیچ کدام آن‌چنان‌که باید، نتیجه‌بخش نبود. تا اینکه در سال ۲۰۰۵ پژوهشگران دانشگاه MIT موفق به ابداع روشی برای انتقال بی‌سیم نیرو شدند که استفاده عملی و همگانی از این فناوری را ممکن می‌کرد و شرکت وای تریسیتی (WiTricity Corp) شارژ بی‌سیم را برای نخستین بار در سال ۲۰۰۷ تجاری‌سازی کرد.

انواع فناوری شارژ وایرلس

 به طور کلی انتقال نیرو به صورت بی‌سیم در سه دسته اصلی قرار می‌گیرد که هرکدام از آن‌ها چند زیر مجموعه دارند. در ابتدا عملکرد شارژرهای بی‌سیم را توضیح می‌دهیم تا اطلاعات کافی درباره مراحا شارژ وایرلس کسب کنید:

1. در مرحله‌ی اول جریان برق DC با ولتاژی بین ۵ تا ۱۹ ولت از یک پورت USB یا اداپتور AC یا DC به فرستنده انتقال داده می‌شود.
2. در مرحله‌ی بعد ترانزیستور با استفاده از چهار ترانزیستور اثر میدانی، جریان را در داخل یک سیم‌پیچ و خازن هدایت می‌کند. سپس خازن‌ها یک فرکانس تشدیدی (فرکانس معمولی ارتعاشی) را به داخل ترانزیستور منتقل می‌کنند.
3. داخل فرستنده‌ سیم‌پیچی وجود دارد که برق را با استفاده از نیروی القایی الکترومغناطیسی منتقل می‌کند. در برخی از فرستنده‌ها چندین سیم‌پیچ با آرایش‌های سیم‌پیچی‌های متفاوت وجود دارد که با پل‌های متفاوت هدایت می‌شوند. این پل‌ها به‌صورت خودکار انتخاب می‌شوند تا بیشترین نیروی ممکن از فرستنده به گیرنده منتقل شود.
4. پس از انتقال نیروی القایی برق از فرستنده به گیرنده، دستگاه گیرنده با استفاده از یک سیم‌پیچ که مشابه سیم‌پیچ فرستنده است، نیروی دریافتی را جمع‌آوری می‌کند.
5. دستگاه گیرنده پس از دریافت نیرو و جمع‌آوری برق، برای تقویت جریان‌های مختلف و عملکرد آن‌ها، این جریان‌ها را با استفاده از دیودهای یک‌سو‌کننده هدایت می‌کند که معمولا با ترانزیستورهای اثر میدانی ساخته می‌شوند. همچنین دستگاه گیرنده با استفاده‌ از خازن‌های خروجی سرامیکی، جریان برق را فیلتر و آن را وارد باتری می‌کند تا باتری شارژ شود. ورود برق به باتری هم می‌تواند با رگلاتور (تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ) سوئیچینگ انجام شود و هم رگلاتور خطی. درضمن دستگاه گیرنده می‌‌تواند برای تنظیم جریان ورودی به باتری یا ولتاژ برق و همچنین توقف انتقال جریان برق پس از شارژ باتری، به دستگاه فرستنده پیام دهد.

به طور کلی فناوری شارژ وایرلس به دسته‌های زیر تقسیم می‌شود:

1. میدان نزدیک / غیر تابشی: این روش دارای دو استاندارد زیر است:
   1. استاندارد Qi
   2. استاندارد PMA
2. اتصال خازنی
3. میان میدانی / غیر تابشی
   1. تشدید مغناطیسی: این روش دارای دو استاندارد زیر است:
      1. Air Fuel
      2. Air Charge
   2. Mojo Mobility
   3. Witricity

در ادامه به تشریح هرکدام می‌پردازیم:

• استاندارد Qi

با استفاده از استاندارد Qi (با تلفظ چی) امکان انتقال 5 وات برق در مسافتی در حدود 4 سانتی متر وجود دارد. شرط استفاده از پدهای شارژ با این استاندارد اینست که دستگاه هوشمند و پد شارژ هر دو از استاندارد Qi پشتیبانی کنند. در آینده امکان انتقال نیرو با حداکثر توان 120 وات فراهم خواهد شد.

• استاندارد PMA

استاندارد Power Matters Alliance یا PMA شباهت بسیار زیادی با استناندارد Qi دارد و هر دو استاندارد برپایه‌ی اصول «مغناطیس القایی» شکل گرفته‌اند، تنها تفاوت این دو استاندارد شارژ بی‌سیم، به گسترده‌ی فرکانس انتقال نیرو مربوط می‌شود. این میزان در استاندارد چی ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلوهرتز و در PMA دوبرابر این میزان است. استاندارد PMA می‌تواند تا ۵ وات نیرو را انتقال دهد.

• اتصال خازنی

اتصال خازنی یکی دیگر از انواع انتقال برق به‌صورت بی‌سیم است که در آن برای انتقال نیرو، یک میدان الکترونیکی درمقابل یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. شرکت ژاپنی موراتا (Murata) مدعی است سیستمی مبتنی بر این روش برای شارژ بی‌سیم گوشی ساخته است. درواقع در این روش نیروی برق آی‌سی با استفاده از یک خازن کوپلاژ از یک مدار سری به مدار دیگر آن منتقل و جریان برق DC مسدود می‌شود.

یکی دیگر از روش‌های شارژ بی‌سیم روش ارتباط میدان نزدیک از نوع القای مغناطیسی است که در آن یک لایه‌ی فیزیکی برای ایجاد ارتباط بی‌سیم بین دو دستگاه در مسافت کوتاه و یک میدان مغناطیسی کم قدرت و کوچک که قابلیت توسعه ندارد، بین آن‌ها قرار می‌گیرد. در این روش نیز سیم‌پیچی در دو دستگاه گیرنده و فرستنده قرار می‌گیرد. سیم‌پیچ فرستنده مدلاسیون میدان مغناطیسی را انجام می‌دهد و سیم‌پیچ دستگاه گیرنده مدلاسیون را اندازه‌گیری می‌کند. در این روش می‌توان از برچسب NFC  و بلوتوث برای انتقال شارژ بین دو گوشی استفاده کرد.

• تشدید مغناطیسی

شارژ بی‌سیم تشدید مغناطیسی یکی دیگر از روش‌های شارژ بی‌سیم محسوب می‌شود که در آن فرکانس تشدیدی دو سیم‌پیچ یکسان می‌شود و وقتی دستگاه فرستنده درکنار هم قرار می‌گیرند، نیرو از فرستنده به گیرنده منتقل می‌شود. فناوری‌های Air Fuel  و Air Charge  و سیستم‌های شارژ بی‌سیم برندهای Witricity، Mojo Mobility و فناوری WiPower شرکت کوالکام نیز برپایه‌ی این روش شکل گرفته‌اند.

• Air Fuel

اخیرا سازمان صنعتی Power Matters Alliance با مشارکت گروه صنعتی Alliance For Wireless Power یا A4WP استاندارد ترکیبی جدیدی به‌نام هواسوختی (Air fuel) ایجاد کرده که برپایه‌ی اصل تشدید مغناطیسی شکل گرفته است و کمی با دو فناوری دیگر تفاوت دارد. توان انتقال نیرو در نسخه‌های اولیه‌ی این استاندارد ۳.۵ تا ۶.۵ وات بود؛ اما اکنون به ۵۰ وات رسیده است. در این استاندارد سیم‌پیچ‌های گیرنده و فرستنده که به‌خوبی تنظیم و با روش مغناطیس القایی به یکدیگر متصل شده‌اند، نیرو را به روش تشدیدی یا رزونانس و با فرکانس ۷ مگاهرتز انتقال می‌دهند. در استاندارد هواسوختی انعطاف‌‌پذیری فضایی درباره مکان قرارگیری دستگاه فرستنده و گیرنده وجود دارد.

اخیرا سازمان صنعتی Power Matters Alliance با مشارکت گروه صنعتی Alliance For Wireless Power یا A4WP استاندارد ترکیبی جدیدی به‌نام هواسوختی (Air fuel) ایجاد کرده که برپایه‌ی اصل تشدید مغناطیسی شکل گرفته است و کمی با دو فناوری دیگر تفاوت دارد. توان انتقال نیرو در نسخه‌های اولیه‌ی این استاندارد ۳.۵ تا ۶.۵ وات بود؛ اما اکنون به ۵۰ وات رسیده است. در این استاندارد سیم‌پیچ‌های گیرنده و فرستنده که به‌خوبی تنظیم و با روش مغناطیس القایی به یکدیگر متصل شده‌اند، نیرو را به روش تشدیدی یا رزونانس و با فرکانس ۷ مگاهرتز انتقال می‌دهند. در استاندارد هواسوختی انعطاف‌‌پذیری فضایی درباره مکان قرارگیری دستگاه فرستنده و گیرنده وجود دارد.

• Air Charge

فناوری AirCharge نیروی برق را با سرعتی بیش از سرعت انتقال امواج وای‌فای و به‌‌اندازه‌ی سرعت انتقال امواج بلوتوث منتقل می‌کند. این فناوری می‌تواند برای شارژ گوشی‌ها در مکان‌های عمومی (رستوران‌، کافی‌شاپ‌، فرودگاه، ایستگاه اتوبوس و قطار و فرودگاه) هتل‌ها (اتاق‌خواب‌ها و سالن استراحت و سالن کنفرانس)، فروشگاه‌ها، در وسایل حمل‌و‌نقل عمومی (اتوبو‌س‌ و قطار)، در مکان‌های ادرای و آموزشی (میزهای مورداستفاده در این مکان‌ها و اتاق جلسات و پذیرش و فضاهای ایجاد شده برای استراحت) استفاده شود.

Mojo Mobility

فناوری Mojo Mobility به کاربران اجازه می‌دهد گوشی خود را آزادانه روی تمام قسمت‌های پد شارژ بگذارند و امکان شارژ هم‌زمان چند دستگاه با نیازهای مصرفی متفاوت را نیز فراهم می‌کند. درضمن به‌دلیل اندازه‌ی کوچک دستگاه گیرنده‌ی ایجاد‌شده برپایه‌ی این فناوری، می‌توان آن را در گوشی‌ها و باتری‌ها و حتی جعبه‌ی وسایل الکترونیکی مختلف تعبیه کرد. درضمن پد‌های شارژ Mojo Mobility کاملا ضدآب و مهروموم‌شده هستند و دمای آن‌ها در حین شارژ افزایش نمی‌یابد. شرکت مبدع این فناوری شارژ‌های بی‌سیمی برای شارژ گوشی‌های آیفون ساخته که در داخل بیش از ۱۱۰ خودرو می‌توان از آن‌ها استفاده کرد.
از موجو موبایلیتی می‌توان در زمینه‌های مختلف استفاده کرد که از میان آن‌ها می‌توان به شارژ گوشی و تبلت و وسایل‌ پوشیدنی و شارژ چند گوشی به‌‌صورت هم‌زمان در خودرو و برقراری ارتباط بین آن‌ها و سیستم‌های سرگرمی و ناوبری با استفاده از فناوری نیروی میدان نزدیک یا Mojo’s Near Field Power اشاره کرد. درضمن به‌دلیل اینکه پدهای شارژ این فناوری کاملا مهروموم هستند، می‌توان از آن‌ها برای چند دستگاه به‌صورت هم‌زمان در محیط‌های استریل صنایع پزشکی و محیط‌های دارای شرایط دشوار نیز استفاده کرد؛ بنابراین، استفاده از این فناوری و نبود نیاز به استفاده از سیم می‌تواند زمینه‌ی طراحی سیستم‌های ساده شارژ در این محیط‌ها را نیز فراهم کند.

کمپانی Witricity در زمینه شارژ بی‌سیم خودروهای برقی فعالیت می‌کند. این کمپانی به تازگی فناوری شارژ وایرلس تحت مالکیت کوالکام را خریداری کرده است. در نتیجه این داد و ستد مالی باعث شده تا کمپانی کوالکام بخشی از سهام ویتریسیتی را در اختیار بگیرد. به عنوان یکی از زیرمجموعه‌های دانشگاه ام‌ آی ‌تی، سیستم WiTricity بر پایه یک پد قرار گرفته بر روی زمین فعالیت می‌کند که میدان مغناطیسی را برای پر کردن شارژ باتری خودروهای الکتریکیِ پارک شده از خود ساطع می‌کند. در سال ۲۰۱۶ این کمپانی از یک پروتوتایپ در همکاری مشترک خود با کمپانی جی ام رونمایی کرد که می‌تواند در پارکینگ‌های عمومی و فضای خالی گاراژها تعبیه شود. طبقق گزارشات این سیستم می‌تواند توان ۷.۷ کیلو وات و ۱۱ کیلو وات را در اختیار مصرف‌کنندگان قرار دهد. در آن زمان اعلام شد که فناوری WiTricity با هر مدل از خودروهای الکتریکی یا پلتفرم‌های مشابه سازگار خواهد بود.