Erinevus lehekülje "Juhtmevaba laadimine" redaktsioonide vahel

resümee puudub
(Uus lehekülg: '{{Koolitöö|30. mail 2021|autor=Edgar Selihov|kool=Tartu Ülikool|juhendaja= Toomas Plank}}')
 
Märgised: Teksti peitmine Veebilink wikipediale
{{Koolitöö|30. mail 2021|autor=Edgar Selihov|kool=[[Tartu Ülikool]]|juhendaja= Toomas Plank}}
<!-- Kirjuta allapoole seda rida -->
[[File:Juhtmevaba laadimise tehnoloogiad.png|pisi|paremal|Juhtmevaba laadimise tehnoloogiad]]
[[File:Juhtmevaba laadimise kasutamine erinevates valdkondades (Reprinted from Tianjia Sun 2015).png|pisi|paremal|Juhtmevaba laadimise kasutamine erinevates valdkondades]]
 
'''Juhtmevaba laadimine ''' (''ingl.'' '''''Wireless Charging''''') – see on [[elektrienergia]] edastamine kahe objektide vahel ilma elektrijuhtmeteta. Antud mõiste üldistatud ning viitab mitmete erinevate tehnoloogiate kasutusele, mis erinevad võimsuse ja selle vahemaa poolest, mille üle nad saavad võimsust üle kanda, kuid lõppude lõpuks saadud sisend konverteerib elektrienergiaks.
Juhtmevaba laadimine on nüüdseks arenenud tulevikku teooriast paljude toodete (kuulmisaparaadid, [[Mobiiltelefon|mobiiltelefonid]] ja nutikaseadmed jne.) tänapäeva standardiks. Seda tehnoloogiat kasutatakse erinevates seadmetes alates väikese võimsusega hambaharjadest suure võimsusega elektrisõidukiteni.
 
== Ajalugu ==
 
Juhtmevaba [[energia]] edastamine sai alguse [[20. sajand]]i alguses, kuid füüsika põhiseadused, millel baseeruvad energia edastamise tehnoloogiad on olnud formuleeritud oluliselt varem. Allpool toodud välja põhilised ajaloolised etapid:
 
* '''1826-1830''' [[Andre-Marie Ampere]], kes on elektromagnetismi avastaja, defineerib 1826. aastal [https://et.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A8re%27i_seadus Amperi seadus]t, mis näitab kuidas [[elektrivool]] tekitab magnetvälja.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re</ref> [[Michael Faraday]] defineerib elektromagnetilise [[induktsioon]]i põhiseadust, mis selgitab, kuidas muutuva magnetvoo abil saab traadis elektromagnetilist jõudu muuta.<ref>https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/watch-play/interactive/electromagnetic-induction, Electromagnetic Induction, 2014</ref>
 
* '''1860-1880''' [[James Clerk Maxwell]] kasutas Faraday eksperimentaalsed andmed ning andis neile täpsete matemaatiliste võrrandite vormi. Need võrrandid kirjeldasid [[Elektromagnetväli|elektromagnetvälja]] ühendamist [[Elektrivool|elektrivooludega]] ja [[Laeng|laengutega]] ning tulemuseks oli [[elektromagnetlaine]]te olemasolu.<ref>https://prezi.com/olbu-xkerbmu/michael-faraday-and-james-clerk-maxwell-contribution-to-our/, B.Bradbury, Michael Faraday and James Clerk Maxwell contribution to our, 9 September 2014</ref> [[Heinrich Hertz]] kinnitas oma eksperimenteeris Maxwelli ennustatud elektromagnetlainete olemasolu.
 
* '''1889–1895''' [[Nikola Tesla]] esimesena kasutas traadita elektriülekannet elektrostaatilise induktsiooni abil. Ta suutis juhtmevabalt sisse lülitada elektripirnid resonantsinduktiivse sidestusega. [https://en.wikipedia.org/wiki/Jagadish_Chandra_Bose Jagdish Chandra Bose] esimesena helistanud uksekella kasutades elektromagnetlaineid.<ref>https://teslaresearch.jimdo.com/, Inventions & Experiments of Nikola Tesla</ref> [[Guglielmo Marconi|Guglielmo Marconi]] demosntreeris raadioedastust umbes kahe kilomeetri kaugusel.<ref>https://www.history.com/this-day-in-history/marconi-sends-first-atlantic-wireless-transmission, Marconi sends first Atlantic wireless transmission, History.com Editors, 9 February 2010</ref> 1895. aastal [https://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Stepanovich_Popov Alexander Popov] edastas [[Morse kood]]i kasutades esimese raadiosaate. <ref>https://www.britannica.com/biography/Aleksandr-Popov-Russian-engineer, Aleksandr Popov Russian engineer, R. L. Smith-Rose, Mar 12, 2019</ref>
 
* '''1905–1918''' 1901. aastal lõpes Tesla torni ehitus. Antud torni kasutati energia edastamiseks, ringhäälinguks, juhtmevabaks suhtluseks ning juhtmevaba energia edastamiseks. Elektriväljad olnud suured ning seetõttu polnud voolu edastamine väga efektiivne.<ref>L. Xie, Y. Shi, Y. T. Hou, W. Lou, "Wireless power transfer and applications to sensor networks," Wireless Communications, IEEE, vol. 20, no. 4, pp. 140-145, 2013.</ref> Lõppude lõpuks leiutis osutus ebaedukaks ning revolutsiooniline tehnoloogia jäi puutumatuks mitmekümneks aastaks kuni mikrolainete tehnoloogia tekkimiseni. <ref>J. Garncia, R. A. Chinga, J. Lin, "Wireless Power Transmission: From Far Field to Near Field," Proceedings of the IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1321-1331, 2013</ref>
 
* '''1927–1969''' [https://en.wikipedia.org/wiki/William_C._Brown William C.Brown] esitas ettepaneku alternatiivallikana kasutada [[päikeseenergia]] ning edastada seda kosmose [[Satellite|sateliidi]] tarbeks kasutades traadita energiaülekanne. Ta näitas mudellennukit, mis sõitis juhtmevaba energia jõul.<ref>J. Garncia, R. A. Chinga, J. Lin, "Wireless Power Transmission: From Far Field to Near Field," Proceedings of the IEEE, vol. 101, no. 6, pp. 1321-1331, 2013</ref>
 
* '''1974–1999 ''' 1980-ndatel aastatel tehti mikrolainete energia edastamisega palju katseid [[Jaapan|Jaapanis]]. [https://en.wikipedia.org/wiki/Kyoto_University Hiroshi Matsumoto Kyoto Ülikoolist] viis läbi katse, mis näitas mikrolainete energia edastamist läbi ionosfääri.<ref>A. Tomar and S. Gupta, "Wireless power Transmission: Applications and Components," International Journal of Engineering Research and Technology, ESRSA, vol. 1, no. 5, 2012.</ref> Avastatud ja võetud kasutusele [[raadiosagedus]]tuvastus ehk [[RFID]] (''ingl. '''Radio Frequency Indentification'''''). [https://en.wikipedia.org/wiki/Goldstone_Deep_Space_Communications_Complex Goldstone Deep Space Communications] katsetas meetodeid RFID-märgiste toitmiseks kasutades elektrodünaamilist induktsiooni.1990-ndate alguses ilmusid esimesed elektrilised hambaharjad [https://en.wikipedia.org/wiki/Braun_(company) Braun]i poolt, mis töötasid magnetilisel induktsioonil.<ref>http://www.academia.edu/2329757/Wireless_Charger_for_low_power_devices_using_inductive_coupling, Wireless Charger for Low Power Devices using Inductive Coupling, Tahsin, N. M. etc., April 2012</ref>
 
* '''2008–2013''' [[Massachusettsi Tehnoloogiainstituut|Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi]] teadlased töötasid välja raadiotehnoloogia [https://en.wikipedia.org/wiki/WiTricity WiTricity], mis põhineb väga madala [[Sagedus|sagedusega]] elektromagnetlainete resonantsil. 2008. aastal loodud [https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_Power_Consortium Wireless Power Consortium] (WPC) eesmärgiga luua universaalne laadija erinevate tootjate ja kaubamärkide seadmetele. Sama esmärgi nimel oli loodud 2012. Aastal [https://en.wikipedia.org/wiki/Power_Matters_Alliance Power Matters Allianse (PMA)], mis ühines 2015. aastal [https://en.wikipedia.org/wiki/WiPower Alliance for Wireless Power]-iga [https://www.airfuel.org/ AirFuel] Alliansiks. WPC töötas välja aku laadimise [https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard) Qi standard]i, mis toetab nii induktiivset kui ka resonantsset laadimistehnoloogiat. AirFuel Alliansi PMA standart on Qi standarti suurimaks konkurendiks ning töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel.
 
Üks esimesi seadmeid igapäevaelus, mis kasutab juhtmevaba laadimist, on elektrooniline hambahari.<ref>https://www.explainthatstuff.com/inductionchargers.html, Chris Woodford, 2007/2019</ref>
 
== Juhtmavaba laadimise tööpõhimõte ja meetodid ==
 
Enamkasutatud juhtmevaba laadimise tehnoloogiad on: [[Magnetiline induktsioon|magnetiline induktsioon]], [[magnetiline resonants]] ning [[mikrolained|mikrolainete]] [[kiirgus]]. Mikrolainete kiirgus võib mõjuda nii lähestikku kui ka kaugel olevatele objektidele, magnetiline induktsioon ja [[resonants]] - lähedal olevatele objektidele.
 
[[File:Juhtmevaba laadimise süsteemide mudelid- (a) magnetiline induktsioon; (b) mangetiline resonants; (c) kaugvälja juhtmevaba laadimine- mikrolained.png|pisi|paremal|Juhtmevaba laadimise süsteemide mudelid: (a) magnetiline induktsioon; (b) mangetiline resonants; (c) kaugvälja juhtmevaba laadimine/mikrolained]]
[[File:Michael Faraday induktsiooni katse.png|pisi|paremal|Michael Faraday induktsiooni katse]]
 
{| class="wikitable"
|-
! Juhtmevaba laadimise tehnoloogia !! Eelised !! Puudused
|-
| Magnetiline induktsioon || Suure võimsusega || Vajab õiget joondumist, saatja ja vastuvõtja peavad olema lähestikku
|-
| Mikrolainete kiirgus || Ei nõua joondatust || Saatja ja vastuvõtja peavad olema küllaltki lähestikku
|-
| Magnetiline resonants || Efektiivne edastamine kaugetel kaugustel || Nõuab vaatesuunalisust (''ingl. '''[https://en.wikipedia.org/wiki/Line-of-sight_propagation line of sight k factor]''''')
|}
 
=== Magnetiline induktsioon ===
 
Kõige ohutum ja levinum meetod, mis põhineb elektromagnetvälja kasutusel kahe objektide vahel energia ülekandeks. Meetod seisneb elektrivoolu tekkimises suletud ahelas, kui muutub selle kontuuri pinda läbiv [[Magnetvoog|magnetvoog]].
Magnetilise induktsiooni esmaseks avastajaks peetakse Michael Faraday, kes 1831. aastal tegi katseid magnetilise induktsiooniga. Tema eesmärgiks oli näidata, et magnetismist saab genereerida elektrit. Ta võtnud oma katseks. Pool ühendatakse [[Galvanomeeter|galvanomeetriga]], mida kasutatakse elektrivoolu olemasolu, suuna ja tugevuse määramiseks. Alguses [[püsimagnet]] paigal ning galvanomeetri nõel on 0-positsioonil, mis tähendab et elektrivoolu veel ei ole. Kui magnetit poolile lähemale liigutada, kaldub galvanomeetri nõel ühele poole (magnetiline induktsioon). Kui magnet ei liigu, galvanomeetri noel liikub tagasi 0-positsiooni. Kui magnet tagasi poolilt eemale liigutada, galvanomeetri noel hakkab liikuma teises suunas (magnetiline resonants). Katse tulemuseks oli elektromootorjõu teke indutseeritakse poolis, kui muutub sellega seotud magnetvoog.<ref>https://et.wikipedia.org/wiki/Magnetiline_induktsioon</ref>
Elektrivool võib tekkida ka siis, kui muudetakse magnetvälja tugevuse, liigutades magneti poolile kasugemale-lähemale, sisse/väja lülitades magneti pooli, või pöörates pooli magneti suhtes.
 
Magnetilist induktsiooni abil saad edasta voolu ühest seadmest teise kasutades järgmist skeemi:
 
# Saatja poolis tekitakse [[Vahelduvvool|vahelduvvooluga]] magnetväli;
# Muudetakse magnetvälja vajalikul viisil;
# Magnetvälja muutmisel tekib vastuvõtja poolis elektrivool;
# Seade laetud
 
Voolu edastamiseks saatja ja vastuvõtja poolid peavad olema lähestikku.
 
=== Magnetiline resonants ===
 
Magnetilise resonantsi meetod on sisuliselt analoogne eelnevalt mainitud magnetilise induktsiooni meetodiga: süsteemis samuti saatja- ja vastuvõtja poolid, mille [[Diameeter|diameeter]] on võrdne, kui poolidevahelune kaugus on ikkagi pisut suurem. Erinevus ka selles, et süsteem töötab vastuvõtja resonantssagedusel.
Võrreldes magnetilise induktsiooniga, resonantsi tehnoloogia kasutamine energia edastamiseks on väiksema efektsiivsusega.<ref>https://www.wirelesspowerconsortium.com/about/about-wpc, About the WPC</ref>
Magnetilise resonantsi ja –induktsiooni põhimõttel töötab enam levinud Qi juhtmevaba laadimise standart.<ref>https://www.wirelesspowerconsortium.com/knowledge-base/magnetic-induction-technology/how-it-works/how-it-works.html, How Wireless Electricity Transmission Works - Wireless Power Consortium</ref>
 
=== Ultraheli ja mikrolainete kiirgus ===
 
Ultraheli töö põhineb [[Helilaine|helilainete]] peegeldumisel ja ülekandel. Saatjast saadetakse ultraheli vastuvõtjale, mis konverteerib saadud [[Signaal|signaali]] elektrienergiaks. Võrreldes üleval mainitud meetoditega saab energiat ülekanda kaugemal teine teisest olevatele objektidele, kuid kuna energia konversioon ei toimu kaotusteta, siis antud meetodi kasutegur on madal. Mikrolainelise kiirguse puhul saadetakse mikrolaineid. Väljakiiratud elektromagnetlaine peegeldub objektilt tagasi ja osa signaalist detekteeritud antenniga. Mikrolainete edastamise ülemaailmseks rakenduseks on ruumi päikeseenergia satelliidid (SPS). Selles rakenduses on päikeseenergia hõivatud ruumis ja muundatud elektrienergiaks. Elektrienergia muundatakse mikrolaineteks ja edastatakse maa peale. Mikrolaine võimsus jäädvustab antennid ja muudetakse elektrienergiaks. [[NASA]] uurib endiselt SPSi võimalusi. Mikrolaineline meetod annabb võimaluse edastada enerigat kaugemal olevatele objektidele ning kasutegur on suur.<ref>https://www.ttu.ee/public/t/Tehnomeedikum/Instituudid/Biomeditsiinitehnika_instituut/yhisope/MO_loengud_2012.pdf, K.Pilt, K.Meigas, Mikrolaine- ja optiline tehnika, TTÜ, 2012 </ref>
 
== Juhtmevaba laadimise standardid ==
 
=== Qi ===
 
[[File:Tihedalt seotud poolid (magneetiline induktsoon) ja vabalt seotud poolid (-resonants).png|pisi|paremal|Tihedalt seotud poolid (magneetiline induktsoon) ja vabalt seotud poolid (resonants)]]
[[File:Qi füüsiline nädis.png|pisi|paremal|Qi füüsiline nädis]]
[[File:PMA standardi logo.png|pisi|paremal|PMA standardi vana logo]]
[[File:Rezence logo.png|pisi|paremal|Rezence (A4WP) logo]]
Kasaaegsed mobiilseadmete tootjad töötavad kahe peamise standardiga, mis olid välja toodetud [https://www.airfuel.org/AirFuel] ja [https://www.wirelesspowerconsortium.com/Wireless Power Consortium]i liidu poolt.
 
Wireless Power Consortiumi (WPC) liit, mis hõlmab selliseid tuntud ettevõtteid nagu [[HTC]], [[Huawei]], [https://www.lg.com/ LG Electronics], [[Motorola Mobility]], [[Nokia (ettevõte)|Nokia]], [[Samsung]], [[Sony]] ja umbes sada muud organisatsiooni, töötas välja aku laadimise '''Qi''' standardi (hääldatakse /tʃiː/ ''CHEE''). Antud standart, nagu eelnevalt mainitud, toetab nii induktiivset kui ka resonantsset laadimistehnoloogiat: induktiivsel laadimisel on energia, mis läbib saatja ja vastuvõtja mähise vahetus läheduses < 7mm, resonantslaadimine ei vaja hoolikat häälestamist ja laadijad suudavad seadet tuvastada ja laadida > 40mm kaugusel. Qi laadijad kasutavad kas induktiiv- või resonantsirežiimi sõltudes saatja ja vastuvõtja poolide vahelisest kaugusest. <ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Qi_(standard)</ref>
 
Esmakordsel kasutuselevõtul oli Qi laadimine väike võimsusega ehk ca 5W. Esimesed nutitelefonid, mis kasutavad Qi laadimist, võeti kasutusele 2011. aastal. 2015. aastal laienes Qi 15W-le, mis võimaldab kiiret laadimist.
 
=== PMA ===
 
Qi tõsiseks konkurendiks on AirFuel liidu poolt, mis hõlmab [https://us.pg.com/ P&G], [http://www.powermate.com/ Powermate]'i, [[AT&T]], [[Google]]'i, [[Starbucks]]'i, [[BlackBerry]]'i, [https://www.zte.com.cn/global/ ZTE], [[Samsung|Samsung'i]] ja teisi, välja toodetud PMA standart. PMA standart töötab vastastikuse induktsiooni põhimõttel. Põhiline erinevus võrreldes Qi standardiga on sageduses: Qi töötab 100-205kHz, PMA 277-357kHz.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Power_Matters_Alliance</ref>
 
=== Rezence (A4WP) ===
 
[http://a4wp.org Rezence (A4WP)] standart võrreldes eelnevatega veelgi väiksema populaarsusega, kuid väärib mainimist, kuna aluseks on teine meetod energia edastamiseks kahe objektide vaheltöö põhineb magnetresonantsil. See omakorda võimaldab oluliselt suurendada kasutusala, vahemaad kahe objektide vahel ning vajadusel laadida mitu seadet korraga. Edastatav võimsus võib ulatuda 50 vattini, mis võib olla sülearvuti jaoks küllaltki piisav.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Rezence_(wireless_charging_standard)</ref>
Vaatamata sellele, et antud standart ja kasutusele võetud meetod on plajutõotav, Rezence ei saa veel suure eduga kiidelda. Tehnoloogiat toetavad [[Qualcomm]], LG, [[Intel]], HTC ja teised, kuid siiani Rezence ei jõudnud turule.
 
== Vaata ka ==
* [[Magnetiline induktsioon|Magneetiline induktsioon]]
* [[Induktsioon]]
* [[Elektrienergia]]
* [[Elektrienergia tootmine]]
* [[Resonants]]
 
== Viited ==
{{viited}}
119

muudatust