Oscilator WKY-Haq: Chanzo Kipya cha Nguvu kwa Mifumo ya Uhamishaji wa Nguvu Kwa Kuingiliana

Yaliyomo

1. Utangulizi

Uhamishaji wa Nguvu Bila Waya (WPT) unaruhusu usafirishaji wa nishati ya umeme kupitia pengo la hewa bila mguso wa kimwili, na umepata msukumo mkubwa katika miaka ya hivi karibuni kwa matumizi kama vile kuchaji bila waya. Ingawa dhana hii imetoka nyuma hadi majaribio ya Tesla mwaka 1893, maendeleo ya kisasa katika vifaa vidogo na mawasiliano bila waya yamerudisha hamu. WPT inaweza kufikiwa kupitia mifumo ya mionzi ya uwanja wa mbali kwa kutumia mionzi ya sumakuumeme au mifumo ya kuitikia ya uwanja wa karibu kwa kutumia uwanja wa umeme au sumaku.

Makala hii inazingatia Uhamishaji wa Nguvu Kwa Kuingiliana (IPT), ambayo hufanya kazi katika uwanja wa karibu wa sumaku (MNF) na hutegemea uingiliano wa sumakuumeme, uliogunduliwa na Michael Faraday. IPT inachukuliwa kuwa mojawapo ya njia bora na salama zaidi, na matumizi muhimu katika vifaa vya kibayolojia (k.m., vichocheo vya moyo) ambapo kubadilisha betri ni tatizo. Mfumo unahitaji chanzo cha mkondo kinachotikisika, kama vile kinzani au oscilator, ili kuzalisha uwanja wa sumaku unaobadilika kwa wakati kupitia coil ya kutuma.

2. Kazi ya Uzoefu

Kazi ya majaribio inahusisha kubuni na kujaribu oscilator mpya kwa mifumo ya IPT. Oscilator hiyo, iliyopewa jina WKY-Haq, ilitengenezwa kwa kutumia kizidishaji cha uendeshaji cha IC LM7171. Jina linawaheshimu wakurugenzi wa mradi (Wahab, Khalil, Youssef) na Dk. Shams Al-Haq kutoka Chuo Kikuu cha Benghazi.

2.1. Muundo wa Oscilator WKY-Haq

Oscilator WKY-Haq imebuniwa kufanya kazi kwa masafa ya chini yanayofaa kwa matumizi ya IPT. Inatumia vipengele vya kawaida vya elektroniki vilivyosanidiwa kuzalisha mitikisio thabiti yenye masafa yanayoweza kudhibitiwa. Muundo unapendelea urahisi, uaminifu, na ufanisi wa kuendesha mizigo ya kuingiliana.

2.2. Uhusiano wa Kihisabati

Uhusiano wa kihisabati wa takriban wa kurekebisha masafa ya oscilator ulipatikana kwa majaribio. Masafa hutegemea thamani za vipinga na vikondakta katika mtandao wa maoni. Uhusiano unaweza kuonyeshwa kama:

$f \approx \frac{1}{2\pi R C}$

ambapo $R$ na $C$ ni vipengele muhimu vya kuhesabu muda. Urekebishaji wa majaribio ulifanywa ili kuboresha makadirio haya kwa utekelezaji wa vitendo.

3. Usanidi wa Majaribio & Matokeo

Mfumo wa IPT ulijengwa kwa kutumia oscilator WKY-Haq kama chanzo cha nguvu. Mfumo ulitumia topolojia ya Mfululizo-Mfululizo (SS), ambapo nyaya zote za kutuma na kupokea zimewekwa sauti kwa mfululizo na vikondakta.

3.1. Usanidi wa Mfumo wa IPT

Usanidi ulijumuisha:

• Kitumaji: Oscilator WKY-Haq inayoendesha mzunguko wa sauti wa mfululizo (inductor L_T na capacitor C_T).
• Kipokeaji: Mzunguko sawa wa sauti wa mfululizo (inductor L_R na capacitor C_R) iliyounganishwa na kipinga cha mzigo (R_L).
• Coils: Coils zenye msingi wa hewa zilizo na idadi maalum ya zamu na kipenyo.
• Kipimo: Osciloskopu na multita za kupima voltage, mkondo, na masafa.

Masafa ya uendeshaji yalirekebishwa hadi 77.66 kHz, masafa ya chini yaliyochaguliwa ili kupunguza upotezaji wa mionzi na kufuata kanuni za kawaida za bendi ya IPT.

3.2. Vipimo vya Ufanisi

Ufanisi wa mfumo ($\eta$) ulihesabiwa kama uwiano wa nguvu inayotolewa kwa mzigo (P_out) kwa nguvu ya pembejeo inayotolewa kwa oscilator (P_in):

$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\%$

Matokeo muhimu:

• Oscilator WKY-Haq ilifanikiwa kuendesha mfumo wa IPT.
• Ufanisi ulitegemea sana idadi ya zamu katika coil ya kupokea.
• Kuongeza zamu za kupokea kuliboresha ufanisi kwa kiasi kikubwa, na kuonyesha umuhimu wa kuunganishwa kwa sumaku.
• Topolojia ya SS ilitoa utendaji mzuri kwa masafa yaliyojaribiwa.

4. Uchambuzi wa Kiufundi & Majadiliano

Oscilator WKY-Haq inathibitika kuwa chanzo cha nguvu chenye uwezo kwa IPT ya masafa ya chini. Nguvu yake iko katika urahisi wake na uhusiano wa kurekebisha masafa uliopatikana kwa majaribio, ambao huruhusu urekebishaji sahihi. Uchaguzi wa 77.66 kHz ni wa kimkakati, ukiwa katika safu ambayo ina usawa wa kuunganishwa kwa sumaku (ambayo huboreshwa kwa masafa ya chini) na ukubwa wa vitendo vya vipengele (ambavyo vinakuwa vikubwa zaidi kwa masafa ya chini sana).

Uhusiano wazi kati ya zamu za coil ya kupokea na ufanisi unaonyesha kanuni ya msingi ya IPT: uingiliano wa pamoja ($M$) kati ya coils, unaodhibitiwa na jiometri yao na mpangilio, ni muhimu zaidi. Topolojia ya SS inafaa vizuri kwa matumizi haya kwani inatoa fidia ya asili kwa upinzani wa kuingiliana, na kuwezesha uhamishaji wa nguvu.

5. Uchambuzi wa Asili: Uelewa wa Msingi & Tathmini

Uelewa wa Msingi: Kazi ya timu ya Benghazi haihusu mzunguko wa oscilator wa mapinduzi bali ni mazoezi ya uthibitishaji ya vitendo, maalum kwa matumizi. Thamani halisi ni kuonyesha kwamba oscilator rahisi, inayoweza kurekebishwa inaweza kuwezesha IPT kwa ufanisi katika sehemu maalum ya uendeshaji ya masafa ya chini (77.66 kHz). Hii inapinga dhana kwamba vigeuzi vya sauti vilivyo tata, vya masafa ya juu vinahitajika kila wakati, na kuangazia njia ya "kuweka rahisi" kwa matumizi maalum.

Mtiririko wa Kimantiki: Makala hufuata njia ya kawaida ya utafiti uliotumika: kutambua hitaji (chanzo cha nguvu cha IPT kinachoweza kutegemewa), kupendekeza suluhisho (oscilator maalum), kupata hisabati yake inayodhibiti, kujenga kituo cha majaribio (IPT yenye topolojia ya SS), na kupima kipimo kikuu (ufanisi). Kuruka kwa kimantiki ni kuunganisha zamu za coil moja kwa moja na ufanisi, na kupuuza uchambuzi wa kina wa viwango vya kuunganishwa ($k$) au vipengele vya ubora ($Q$), ambavyo ni vya kawaida katika fasihi kama kazi ya msingi ya Kurs et al. juu ya uhamishaji wa nguvu bila waya kupitia msisimko wa sumaku.

Nguvu & Kasoro: Nguvu ni uthibitishaji wa vitendo, wa kijaribio na matokeo wazi, yanayoweza kurudiwa. Muundo wa oscilator unaweza kufikiwa. Kasoro kuu ni ukosefu wa uchambuzi wa kulinganisha. Ufanisi na uthabiti wa WKY-Haq unalinganishaje na oscilator ya kawaida ya daraja la Wien au ya kuhama awamu katika jukumu sawa? Makala pia inakosa majadiliano muhimu juu ya usumbufu wa sumakuumeme (EMI) kwa 77 kHz na utendaji wa joto, ambavyo ni muhimu kwa utekelezaji wa ulimwenguni wa kweli, hasa katika vipandikizi vya matibabu vinavyotajwa na waandishi.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watendaji, makala hii ni mfano mzuri wa kuanzisha prototaypu ya IPT. Uelewa unaoweza kutekelezwa ni usikivu ulioonyeshwa kwa zamu za coil ya kupokea—lever rahisi na yenye ufanisi ya uboreshaji. Hata hivyo, kwa maendeleo ya bidhaa, mtu lazima aunganishe matokeo kutoka kwa mifumo madhubuti zaidi. Kwa mfano, kiwango cha kuchaji bila waya cha Qi, kinachosimamiwa na Jumuiya ya Nguvu Bila Waya, hufanya kazi kwa masafa ya juu zaidi (100-205 kHz) na itifaki za kisasa za mawasiliano kwa usalama na ufanisi. Njia ya Benghazi ingehitaji uthabiti mkubwa (kinga, vitanzi vya udhibiti, majaribio ya kufuata) ili kuhamia kutoka kwenye benchi ya maabara hadi bidhaa ya kibiashara au ya matibabu. Mwelekeo wa baadaye unapaswa kuhusisha kuunganisha oscilator hii na mitandao ya kufaa ya upinzani, kama inavyoonekana katika utafiti wa hali ya juu kutoka taasisi kama MIT au Stanford, ili kudumisha ufanisi katika hali tofauti za kuunganishwa—changamoto kuu kwa matumizi ya kuchaji ya nguvu.

6. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Msingi wa uchambuzi wa mfumo wa IPT unahusisha masafa ya sauti na uingiliano wa pamoja.

Masafa ya Sauti: Kwa mzunguko wa RLC wa mfululizo, masafa ya sauti $f_0$ yanatolewa na:

$f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

Nyaya zote za kutuma na kupokea zimewekwa sauti kwa masafa haya (77.66 kHz) ili kuongeza uhamishaji wa nguvu.

Uingiliano wa Pamoja & Kuunganishwa: Uingiliano wa pamoja $M$ kati ya coils mbili ni utendakazi wa jiometri yao, idadi ya zamu ($N_T$, $N_R$), na mgawo wa kuunganishwa $k$ (0 ≤ k ≤ 1):

$M = k\sqrt{L_T L_R}$

Voltage iliyosababishwa katika coil ya kupokea ni $V_R = j\omega M I_T$, ambapo $I_T$ ni mkondo wa kutuma na $\omega = 2\pi f$.

Utoaji wa Ufanisi (Uliorahisishwa): Kwa mfumo wa mfululizo-mfululizo uliounganishwa kwa urahisi, ufanisi unaweza kukadiriwa kama:

$\eta \approx \frac{(\omega M)^2 R_L}{R_T R_R R_L + (\omega M)^2 (R_R + R_L)}$

ambapo $R_T$ na $R_R$ ni upinzani wa vimelea wa coils. Hii inaonyesha kwa nini kuongeza $M$ (k.m., kupitia zamu zaidi za kupokea) kunaboresha $\eta$ moja kwa moja.

7. Matokeo & Maelezo ya Chati

Kielelezo (1): Mchoro wa Mfumo wa IPT. Mchoro wa vizuizi unaonyesha mtiririko wa mfumo: Chanzo cha nguvu cha DC kinachangia Oscilator WKY-Haq (kigeuzi cha DC-AC). Matokeo ya AC ya oscilator yanaendesha Mzunguko wa Sauti wa Kitumaji (unaojumuisha inductor L_T na capacitor C_T kwa mfululizo). Mkondo wa kubadilishana katika L_T unazalisha uwanja wa sumaku unaotikisika. Uwanja huu unaunganisha kupitia pengo la hewa hadi Mzunguko wa Sauti wa Kipokeaji (inductor L_R na capacitor C_R kwa mfululizo), na kusababisha voltage ya AC. Nguvu iliyopokelewa kisha hutolewa kwa Mzigo (R_L).

Matokeo Muhimu (Kimaandishi): Data ya majaribio ilithibitisha kwamba mfumo ulifanikiwa kufikia uthabiti wa uendeshaji kwa 77.66 kHz. Sababu kuu iliyoathiri ufanisi ilikuwa idadi ya zamu katika coil ya kupokea. Ongezeko kubwa la ufanisi lilionekana wakati idadi ya zamu ya coil ya kupokea iliongezwa, na kuthibitisha umuhimu wa kinadharia wa uingiliano wa pamoja. Thamani maalum za ufanisi chini ya usanidi tofauti wa zamu zilipimwa, na kuonyesha uwezo wa kurekebishwa wa utendaji wa mfumo.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Kuboresha uhamishaji wa nguvu kwa sensor ndogo, iliyopandikizwa ya kibayolojia (k.m., kichunguzi cha sukari).

Utumiaji wa Mfumo (Sio Msimbo):

1. Fafanua Vikwazo: Ukubwa mdogo sana wa coil ya kupokea (kupunguza L_R), mipaka madhubuti ya usalama kwenye nguvu ya uwanja, hitaji la kuzalisha joto la chini.
2. Tumia Uelewa wa Makala: Ongeza zamu za coil ya kupokea ndani ya kikwazo cha ukubwa ili kuongeza $M$ na ufanisi, kama ilivyothibitishwa na jaribio la WKY-Haq.
3. Panua Zaidi ya Makala: Tumia mlinganyo wa ufanisi uliotolewa kuiga utendaji. Simulia na jiometri tofauti za coil (k.m., spiral dhidi ya solenoid) kwa kutumia programu kama ANSYS Maxwell au COMSOL ili kupata $k$ na $Q$ bora, hatua ambazo hazijaelezewa kwa kina katika makala ya asili.
4. Kiwango cha Kulinganisha: Linganisha ufanisi uliotabiriwa kwa kutumia oscilator rahisi dhidi ya mpango wa kisasa wa kuruka masafa unaotumika katika vifaa vya kisasa vya kupandikiza ili kupunguza matatizo ya kutopangwa.
5. Uamuzi: Njia ya WKY-Haq inaweza kutosha kwa kipandikizi cha nafasi thabiti, cha nguvu ya chini lakini ingehitaji kuongezewa kwa urekebishaji unaofaa kwa uthabiti wa ulimwenguni wa kweli.

9. Matumizi ya Baadaye & Maendeleo

Oscilator WKY-Haq na utafiti unaohusiana wa IPT unafungua mwelekeo kadhaa wa baadaye:

• Vipandikizi vya Kibayolojia: Kuzidisha ukubwa mdogo zaidi na ushirikiano kwa vipandikizi vya muda mrefu. Utafiti unapaswa kuzingatia ufungaji unaofaa kwa kibayolojia na uthabiti wa muda mrefu wa mzunguko wa oscilator.
• Kuchaji Gari la Umeme (EV): Ingawa kuchaji bila waya kwa sasa kwa EV hutumia nguvu ya juu na viwango tofauti, njia ya masafa ya chini inaweza kuchunguzwa kwa mifumo ya ziada ya nguvu ya chini au kuchaji ndege zisizo na rubani/roboti.
• Sensor za Viwanda: Kuwapa nguvu sensor katika mashine zinazozunguka au mazingira yaliyofungwa ambapo waya hazifai.
• Ushirikiano wa Mfumo: Kazi ya baadaye lazima iunganishe mawasiliano na udhibiti. Kuongeza kitanzi rahisi cha maoni kutoka kipokeaji hadi oscilator (k.m., kwa kutumia urekebishaji wa mzigo) kunaweza kuthibitisha matokeo dhidi ya tofauti za kuunganishwa, mbinu inayotumika katika viwango vya RFID na Qi.
• Uchunguzi wa Nyenzo: Kubadilisha coils zenye msingi wa hewa na msingi wa feriti au metamaterials ya hali ya juu kunaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa kuunganishwa na ufanisi kwa masafa sawa ya chini, eneo la matumaini linalochunguzwa na vikundi kama Kikundi cha Utafiti cha Shouhei cha Chuo Kikuu cha Tokyo.

10. Marejeo

1. Kurs, A., Karalis, A., Moffatt, R., Joannopoulos, J. D., Fisher, P., & Soljačić, M. (2007). Uhamishaji wa nguvu bila waya kupitia msisimko wa sumaku uliounganishwa kwa nguvu. Sayansi, 317(5834), 83-86.
2. Jumuiya ya Nguvu Bila Waya. (2023). Uainishaji wa Mfumo wa Uhamishaji wa Nguvu Bila Waya wa Qi. Imepatikana kutoka https://www.wirelesspowerconsortium.com
3. Sample, A. P., Meyer, D. A., & Smith, J. R. (2011). Uchambuzi, matokeo ya majaribio, na urekebishaji wa masafa ya vilindwa vilivyounganishwa kwa sumaku kwa uhamishaji wa nguvu bila waya. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(2), 544-554.
4. Kiwango cha IEEE cha Viwango vya Usalama Kuhusiana na Mfiduo wa Binadamu kwa Uwanja wa Umeme, Sumaku, na Sumakuumeme, 0 Hz hadi 300 GHz. (2019). IEEE Std C95.1-2019.
5. RamRakhyani, A. K., Mirabbasi, S., & Chiao, M. (2011). Ubunifu na uboreshaji wa mifumo yenye ufanisi ya utoaji wa nguvu bila waya kulingana na msisimko kwa vipandikizi vya kibayolojia. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 5(1), 48-63.
6. Chuo Kikuu cha Tokyo, Kikundi cha Utafiti cha Shouhei. (2022). Metamaterials kwa Uhamishaji wa Nguvu Bila Waya Ulioimarishwa. Imepatikana kutoka [Kiungo cha Mfano cha Taasisi].