Bài 1. Nền tảng về wireless power transfer

Fig. 1 (a) Thí nghiệm của Tesla vào năm 1891 ở New York (b) Ba phiên bản khác nhau được đề xuất,

trong đó: P là bên phía truyền đi, S là bên phần nhận

Source: N. Tesla, “High frequency oscillators for electro-therapeutic and other purposes,” Elect. Eng., vol. XXVI, no. 550, Nov. 17, 1898.

Suốt nhiều thập kỷ sau, Truyền điện không dây bị rơi vào quên lãng do nó phát sinh rất nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật.

Thứ nhất việc tạo ra một nguồn xoay chiều với tần số cao và dòng điện lớn để cấp cho cuộn dây truyền là không dễ dàng. Công nghệ bán dẫn cho các thiết bị đóng cắt trong mạch (mọi người có thể hiểu nôm na là thiết bị tạo tần số) chưa phát triển. Nó dẫn đến việc Cuộn dây và Tụ điện cần một kích thước lớn, cồng kềnh để truyền một lượng năng lượng nhất định.

Thứ hai, dây Litz (loại dây có điện trở dẫn nhỏ) chưa ra đời. Vì vậy nếu muốn truyền năng lượng, chúng ta vẫn phải dùng loại dây dẫn truyền thống, dẫn đến công suất hao tổn trên 2 cuộn dây chiếm một phần lớn.

Thứ ba, các thiết bị di động (phone, laptop, IoT devices, Electric Vehicle) chưa ra đời vào đầu thế kỷ 20. Nhu cầu của việc dùng công nghệ Sạc không dây là xa xỉ và không cần thiết.

Nhưng dần già, các yếu tố khó khăn trên về kỹ thuật cũng được tháo gỡ. Kết hợp với nhu cầu sử dụng công nghệ sạc không dây là rất nhiều do việc xuất hiện ồ ạt của các thiết bị điện tử di động từ công suất nhỏ cỡ Watts(W) như Điện thoại đến thiết bị cỡ lớn hàng kW như Electric Vehicles. Thị trường về công nghệ này sẽ ước tính đạt mốc 11.27 tỷ USD vào năm 2022.

Chúng ta sẽ tìm hiểu từ đầu (theo cách chậm rãi và từ từ) công nghệ này. Mình sẽ tăng dần độ khó cho mỗi bài học. Trước hết không thể bỏ qua những hiện tượng vật lý đằng sau công nghệ kể trên. Mình liệt kê và diễn giải ra ở đây trước.

II. Lý thuyết vật lý cần biết

1. Phân loại dòng điện

Trong vật lý học, mọi người hẳn vẫn còn nhớ dòng điện (current) được phân ra làm hai loại: một chiều (direct current) và xoay chiều (alternating current). Chiều của dòng điện được quy ước là ngược với chiều chuyển động của các electron trong dây dẫn (conductor). Sẽ rất dễ nhớ, nếu bạn vẽ đồ thị của dòng một chiều và xoay chiều trên trục thời gian. Mình minh họa ở hình dưới đây. Dòng xoay chiều sẽ có giá trị âm hoặc dương tại một thời điểm bất kỳ, còn dòng một chiều thì không có giá trị âm.

Chú ý là đừng nhầm lẫn cho rằng chỉ có dòng hình sin (sinusoidal forms) mới là dòng xoay chiều và dòng không đổi về giá trị (constant direct current) mới là dòng một chiều.

Video dưới đây mô tả một cách đơn giản việc các điện tích chuyển động trong một mạch điện, từ nguồn, dây dẫn đến tải(là bóng đèn)

Đơn vị của dòng điện là Ampere(A). Theo định nghĩa liên quan đến điện tích thì giá trị của một dòng điện tỷ lệ thuận với số lượng điện tích (charge) đi qua một điểm bất kỳ trên dây dẫn. Số lượng điện tích đi qua càng nhiều, giá trị dòng càng lớn. Một Ampere được quy đổi tương đương với 6.24x10^18 điện tích đi qua trong vòng một giây (second).

Fig. 3 (a) Dòng điện xoay chiều (b) Dòng điện một chiều

Source: electronics-tutorials.ws

2. Từ trường của dòng điện

Cả dòng xoay chiều lẫn một chiều đều có khả năng phát ra từ trường. Bất kể ở xung quanh một đoạn vật dẫn kim loại nào có dòng điện đi qua thì đều có từ trường. Từ trường tại mỗi điểm xung quanh dây dẫn (cũng giống như các đại lượng điện từ khác) được thể hiện bằng vector: hiểu nôm na là từ trường nó hướng đi đâu và độ lớn của nó bằng bao nhiêu. Vector từ trường tại tất cả các điểm xung quanh dây dẫn đều vuông góc với chiều của dòng điện. Vector từ trường được định nghĩa là B và có đơn vị là Tesla.

Chiều của từ trường của một đoạn dây dẫn được xác định bằng quy tắc bàn tay phải như trong hình dưới. Đối với những vật dẫn có cấu trúc phức tạp hơn, các bạn xác định lần lượt từ trường của dây dẫn tại từng đoạn một rồi sau đó cộng chúng lại (như là kiểu cộng vector ý).

Minh họa bằng dây solenoid coil, khi loại coil này có thể xem là tập hợp của nhiều vòng dây tròn nối tiếp lại với nhau. Mỗi vòng tròn nhỏ này tạo ra một từ trường vuông góc với nó. Kết hợp tất cả các vòng, ta có một từ trường gần như constant đi xuyên qua lòng cuộn dây với độ lớn

Fig. 4 (a) Từ trường của một đoạn dây (b) Từ trường của một dây solenoid

Source: Physics Stack Exchange

Đến đây chúng ta lại quay lại phần dòng điện một chiều và xoay chiều. Trong cả hai trường hợp, ta đã biết chúng đều phát ra từ trường. Nhưng 2 từ trường này nó khác nhau như thế nào?

(a) Với dòng một chiều, từ trường cũng là một chiều (có nghĩa là hướng của vector B tại một điểm bất kỳ xung quanh vật dẫn sẽ không đổi)

(b) Với dòng xoay chiều, ta có một từ trường đổi chiều liên tục theo dòng điện (hướng của vector B sẽ đổi chiều liên tục)

Fig. 5 Từ trường của dây solenoid đổi hướng khi dòng qua dây đổi chiều

Source: Science Buddies

3. Hiện tượng cảm ứng điện từ

Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng hình thành một suất điện động trên một vật dẫn khi vật dẫn đó được đặt trong một từ trường biến thiên. Từ trường biến thiên ở đây hiểu theo nghĩa nó có thể thay đổi: độ lớn hoặc hướng hoặc cả hai.

(a) Với từ trường một chiều từ dòng một chiều, khả năng để một vật dẫn có suất điện động khi và chỉ có chuyển động tương đối giữa nguồn phát từ và vật dẫn sao cho độ lớn của từ trường tác động lên vật dẫn thay đổi. Nếu không sẽ chả có gì xảy ra. Hiện tượng này tương tự như khi bạn chuyển động một thanh nam châm (xem như là nguồn phát từ trường một chiều) đến gần một cuộn dây vậy. Trên cuộn dây sẽ xuất hiện một suất điện động và nếu mạch dây kín, dòng sẽ chảy qua. Nếu thanh nam châm đứng yên, cuộn dây ko nhận được gì cả.

(b) Ngược lại từ trường xoay chiều luôn luôn đổi hướng vì chiều dòng điện đổi chiều trong suốt quá trình hoạt động. Điều này tạo điều kiện cho việc tạo ra suất điện động trên vật dẫn đặt trong từ trường. Đây là nguyên lý cơ bản nhất của truyền điện không dây (wireless power transfer).

4. Wireless power transfer

Từ mục(3), chúng ta đã biết cách làm thế nào để tạo ra một suất điện động cảm ứng. Vậy các thành tố ban đầu (elements) cần thiết cho một hệ truyền điện không dây là gì:

(1) Một dòng điện xoay chiều đi qua vật dẫn 1(xem như đây là nguồn phát từ trường). Chúng ta sẽ gọi nó là transmitter từ bây giờ.

(2) Một mạch kín đặt trong từ trường của cuộn transmitter, sẽ nhận từ trường và chuyển hóa nó thành dòng điện. Chúng ta gọi là receiver. Chú ý mạch kín này thường nối với một tải (có thể là một bóng đèn) để cung cấp dòng cho tải.

Source: Electrical engineering Community

Hôm nay đến đây đã, bài học sau mình sẽ nói chi tiết hơn về cấu trúc của mạch wireless, trên thực tế để truyền được năng lượng cấu trúc của nó không đơn giản như ở trên đâu nha.