Egyvezetékes energiaátvitel

SWER (Single Wire Earth Return)

A háztartásban használt egyfázisú villamos hálózat (null-fázis-föld) általában a lakáshoz legközelebbi villamos csatlakozási pontból indul. A villanyoszlopokra függesztett vagy a föld alá fektetett vezetékek szinte mindenhol háromfázisúak. Vidéken gyakran csak a főút mentén található meg a háromfázisú hálózat, ilyenkor az egyvezetékes módszert (SWER) alkalmazzák az elektromosság továbbítására. Ebben az esetben a föld az, ami zárja az áramkört, így nincs szükség a null vezetékre.

A leválasztó transzformátor izolálja a villamos hálózatot a földtől és az egyfázisú hálózattól, valamint egyik fázist alacsonyabb feszültségszintre alakítja. A magasfeszültségű vezeték több 100 kilométeres is lehet egy bizonyos számú terhelő csomópont mellett. A terheléstől az áram visszafelé a földben találja meg az útját a leválasztó transzformátorig, hasonlóan a telekommunikációban használt fantom áramkörhöz. A második transzformátor szekunder tekercse egyfázisú (N-0) vagy osztott fázisú (N-0-N) áramot szolgáltat a standard 240V-os amplitúdóval, ahol a 0 a védőföldelést jelenti. A leválasztó transzformátor általában 300kVA teljesítményű, míg a terhelő transzformátorok 5-25kVA teljesítményűek.

Goubau vezeték

Ebben az esetben a föld nem szerepel az áramkörben másodlagos vezetőként és nem is megfelelő a villamos hálózat 50-60Hz-es frekvenciája. A XIX. század végén már elméletben bebizonyosodott (Sommerfeld), hogy a rádiófrekvenciás hullámok a vezető objektumok mentén felületi hullámként terjednek. Ezek a hullámok TM (Transverse Magnetic) módban terjednek, ahol csak a mágneses mező merőleges a terjedési irányra, az elektromos mező pedig megdől a terjedési irány fele. Az energiát az elektromos mező longitudinális komponensei közvetítik. Ahhoz, hogy a TM mód megmaradjon fontos, hogy a vezeték közelében ne legyen más vezető objektum, amiről az elektromos mező visszafordulhat. Pontosan ez történik a koaxiális kábel árnyékolásában, a visszacsatolt elektromos mező tovább növeli a valódi áramot. A valódi áram a TEM (Transverse Electric Magnetic) terjedést erősíti, azaz egyre inkább merőlegessé teszi az elektromos mezőt a terjedési irányra. A TM módban nem a valódi, hanem az eltolási áram játszik fontos szerepet, ez gerjeszti a TM módot. Az energiaátvitel annál nagyobb, minél nagyobb az elektromos mező. Az elektromos mező nagysága pedig a vezeték potenciáljával nő, a potenciál pedig a vezeték impedanciájával arányos. Az impedanciát viszont ismét az árnyékolás csökkentheti, tehát nagyon fontos, hogy a vezető közelében semmilyen más vezető ne legyen. Egy 50 ohmos koaxiális kábelben már teljes egészében a TEM terjedési mód érvényesül. A longitudinális elektromos mező függ a hullámhossztól, mert az erőtér minden erővonalának végződnie kell valahol. Ez egy fél hullámhosszon következhet be leghamarább a vezeték mentén, ezért az legkevesebb fél hullámhosszú kell legyen.

A TM hullámterjedés veszteségeiben szerepet játszik a vezeték keresztmetszete is.  Ha elég kicsi, akkor a hullámterjedés vesztesége épp olyan kevés, mint a koaxiális kábele. Tovább csökkenti a veszteséget az, ha a vezeték szigetelve van és kevésbé kanyargós (legfeljebb 20 fokot görbülhet meg). A szigetelés miatt csökken a hullámterjedés sebessége a vezetéken kívül és ezáltal kevésbé fog sugározni a vezeték. Minden görbület és tökéletlenség a vezeték felszínén veszteséggel jár. A Goubau vagy G-vezeték főként az UHF (300MHz) frekvenciák fölött hatékony, mert ekkor elég erős tud lenni a vezetéket körülvevő elektromágneses mező, amely még a vezető köré koncentrálódik. Az ilyen vezetéket kifeszítik, két végükre tölcsér alakú csatolót szerelnek, melynek méretei a vezetőt körülvevő szigetelő tulajdonságaitól függnek.

A tölcsérek a koax-vezeték árnyékolására csatlakoznak, a G-vezeték pedig a koax-vezeték középső vezetőjére. A G-vezeték körül kialakult elektromágneses mező (melynek nagysága a hullámhossz 0.7-szerese) hordozza az energia 90%-át, emiatt sokkal kisebb a csillapítás mint a koaxiális vezetékben. A koaxiális kábelben terjedő tranzverzális hullámok átalakítása felületi hullámokká, javítja az átviteli vonal összteljesítményét.

Gyakorlatilag a csatoló alakítja át a koaxiális kábelből érkező TEM hullámokat TM hullámokká és fordítva. Kondenzátor szerepét tölti be, visszacsatolja az eltolási áramot. Minél kisebb a csatoló mérete annál nagyobb a kondenzátor reaktanciája, ami nehezíti az illesztést a koaxiális kábellel. Az illesztést egyébként javítja, ha a tölcsér exponenciálisan tágul. A következőképp alakulnak ki a felszíni hullámok a tölcsérben:

A tölcsér alak azt utánozza, mint amikor a koaxiális kábel árnyékolását szétnyitjuk. A elektromos erővonalak uyganúgy oszcillálnak tovább, ám a tölcsér vége felé már hurkokat alkotnak, azaz nem a két vezető között, hanem a vezető mentén végződnek majd. Ettől a ponttól a hullám TM hullámmá válik. A hurkok szélessége azaz a longitudinális elektromos mező csúcsamplitudói negyed hullámhossznyi távolságra esnek egymástól, pontosan a vezeték feszültségminimum pontjainál jelentkeznek. Az első longitudinális maximum negyed hullámhossznyira alakul ki a csatolótól. A tölcsér maga is sugároz, ám a kisugárzott elektromos mező egy adott ponton szimmetrikus lesz a vezeték elektromos mezejével, de éppen ellenkező előjelű, így néhány hullámhossznyi távolsára a csatolótól ezek kioltják egymást, ami veszteséget jelent. A csatoló közelében még nem teljes longitudinális komponensek szimmetriája, ezért az interferencia is kevésbé destruktív (itt a vezetővel párhuzamos lineáris polarizációjú hullámok sugárzódnak szét).

A Goubau vezetékhez nagyon hasonló az E-line, csakhogy ennél hiányzik a hullámterjedést lassító szigetelés a vezetékről. Emiatt mégjobban megnő az impedancia, ami növeli a vezeték potenciálját és ezáltal a longitudinális elektromos mező amplitúdóját is, ami nagyobb hatékonyságot jelent.

Ultraszélessáv

      Az adóban létrehozott rádióhullámok vezetéken is eljuthatnak a vevőhöz. A levegőben terjedő rádióhullámok teljesítménye a távolság négyzetével fordítottan arányosan csökken (inverz négyzetes törvény), a vezetéken terjedő rádióhullámoké pedig a vezeték hosszával exponenciálisan csökken. Éppen ezért hosszú távon a levegőben terjedő hullámok a nyerőbbek. Ha elég nagy a rádióadó teljesítménye, akkor úgy a vezetéken, ahogyan a levegőben, egyenirányítani lehet (Rectenna) a rádióhullámokat. Ehhez olyan diódák kellenek, melyek képesek kellően gyorsan kapcsolni. Használható az AM detektor, vagy a feszültségduplázó konfiguráció:

Mindkét esetben D1 a pozitív félhullámokat engedi át, D2 és L1 pedig a DC áram visszirányú útját teszi lehetővé. Az AM detektor esetén R1 és C1 aluláteresztő RC szűrőként működik, csak az alsó frekvenciákat engedi át, így az AM modulált jelnek a burkológörbéje marad a kimeneten. A feszültségduplázó esetén, a negatív félhullámnál D2 kinyit és feltölti C2 kondenzátort a negatív csúcsfeszültségig, a pozitív félhullámnál pedig D1 nyit ki, és feltölti C1-et pozitív csúcsfeszültségig. Erre a töltésre ráadásként szolgálg C2-ben tárolt csúcsfeszültség is (mert annak közben nem volt amin kisülnie – sorosan van kötve), így C1 tovább töltődik és a kimeneten a bemenő csúcsfeszültség duplája lesz mérhető, pontosabban a negatív és a pozitív csúcsfeszültségek összege. C1 végül a terhelésen sül ki a következő félhullám ideje alatt. Ezt a kapcsolást sorba kötve feszültség triplázó, négyszerező, ötszöröző stb. alakítható ki, ám az áramerősség fokozatonként csökken.

      Az RF bemenet képviselhet egy antennát vagy egy vezetéket, ami közvetlenül az adótól érkezik. A földelés lehet egy vezeték vagy egy jól vezető objektum, nem muszáj  az adó földjéhez vagy a hálózati földeléshez kapcsolni. Egy szimpla vezetéket használva úgy fog működni mint egy dipól antenna karja, és így a bemenő vezetéken érkező RF jel lesz az egyetlen táppont ami az áramkört az adóhoz kapcsolja. Ez a kivitelezés tehát  csak látszólag egy-vezetékes, akár a SWER, hiszen a második vezeték antennaként funkcionál. Sokszor nincs is szükség erre a szabad vezetékre, mert az alkatrész kivezetése vagy az áramkör negatív nyomvonala elég nagy ahhoz, hogy befogja az ugyanabba az áramkörbe bevezetett rádiófrekvenciás jeleket. Az energiaátadásban szerepet játszik a vezetéken végbemenő felületi hullámterjedés is, mely eltolási árama növeli a „dipólus” kapacitív csatolását a földdel és a környezettel.

      Az adónak nem szükséges modulált rádióhullámokat adnia, elegendő egy oszcillátor, mely elég nagy elektromos mezőt gerjeszt a kimenetén ahhoz, hogy bekapcsoljon egy-két LED-et. Jó megoldás erre a Meissner oszcillátor, melynek módosított változata a következő ábrán látható, a vevővel együtt:

Annyiban módosult az eredeti változathoz képest, hogy a tranzisztor bázisát vezérlő LC rezgőkört nem az L1 tekercshez tartozó primer tekercs indítja be, hanem maga a tranzisztor, amikor R1-en keresztük kinyit. A módosítást Dr. Ronald Stiffler végezte el, és eredményként egy ultraszélessávú (UWB – Ultra Wide Band) oszcillátort kapott. Ezt SEC exciter-nek (Spatial Energy Coherence) azaz tértbeli koherens energia gerjesztőnek nevezte és munkájában interfészként hivatkozik rá, mely az „univerzális energiahálót” gerjeszti be, éppen ezért az erről szóló cikkeit nem fogadták el sehol.

      Lényeges különbség van a hagyományos rádiófrekvenciás és az ultra-szélessávú (UWB – Ultra Wide Band) rádiófrekvenciás technológia között. Míg a hagyományos az amplitúdót, frekvenciát vagy fázist modulálja, addig az UWB adott intervallumokban széles frekvenciasávot elfoglaló impulzusokat generál, azaz impulzus-modulációt használ. Az UWB-t általában rövid-távú, vezeték nélküli kommunikációra használják, de vezetéken is továbbíthatóak a jelek.

Láthatóan az ultra-szélessávú jeleket sokkal sűrűbben küldve is meg lehet különböztetni, ezért sokkal gyorsabb adatkommunikáció valósítható meg vele. Mivel a feszültségtüskék hatalmasok, nagy elektromos mezőt gerjeszt az adóvezeték maga körül és megnöveli annak kapacitív csatolását a földdel és közeli vezetőkkel.

A kollektor és bázis között lévő 1M ellenállás biztosítja, hogy a tranzisztor mindig előfeszítve legyen az aktív tartományában az erősítéstől (beta) függetlenül. Mivel az előfeszítő feszültség közvetlenül a kollektorból származik, a tranzisztor stabil lineáris erősítőként működik. Minderre addig van szükség, amíg a bázisra kapcsolt soros LC rezgőkör be nem indul. Ha ez megtörténik, a vezérlést a rezgőkör szolgáltatja, ám az oszcillációk idővel elcsitulnak, és ismét szükségessé válik R1. Ennek frekvenciája a kondenzátor és tekercs értékeivel változtatható. Az ábrán található értékekkel a bázison lévő jel kb. 4MHz-en rezeg:

A tranzisztor kollektorán L2 tekercs 78V-os feszültségcsúcsokat gerjeszt a négyszögjel lemenő éleinél:

Ez már UWB jel és a csúcsok nagysága a tekercs induktivitásával változik, de függ az LC rezgőkör frekvenciájától is. A jel sávszélességét és a feszültségcsúcsokat tovább fokozza a kimentre sosrsan kapcsolt L3 tekercs:

Míg L2 párhuzamosan (söntben)  van a kimenettel, addig L3 sorosan van kapcsolva. Mivel az induktív reaktancia a frekvenciával nő, az L2 reaktanciája nagyobb kimenetet eredményez ahogy a frekvencia megnő. Ugyanakkor a kapacitív reaktancia is nő a frekvencia növekedésével és emiatt a kimenő jel egyre inkább a földhöz csatolódik. A kimeneti kapacitás fantom vagy virtuális kapacitás, amit a sorba kapcsolt L3 induktív reaktanciája szigetel el a kimenettől. Az L2 mint párhuzamos csúcsosító tekercs (peaking coil) és L3 mint soros csúcsosító tekercs kombinációja magas frekvenciaválaszt tesz lehetővé.

      Az L3 egyúttal impedancia illesztője is a vevőként szolgáló dipól antennának, mert megnyújtja annak (látszólagos) hosszát, de ugyanakkor csökkenti az antenna sávszélességét. Minél szorosabban van tekerve ez a tekercs, annál nagyobb a jósági tényezője, de annál kisebb sávszélességgel bánik el.

      Bár a frekvencia és az amplitúdó egymás rovására jár, bármelyik is legyen a nagy közülük, az növelni fogja az átvitt energia mennyiségét. Az áramkör működése nagyban függ a tranzisztor paramétereitől is: a kapcsolási sebességétől, kollektor kapacitásától és az erősítéstől. Ezek alapján más-más induktivitás és kapacitás értékeket kell alkalmazni, ezért célszerű változtatható kondenzátort (10-1000pF) és tekercseket (10-100uH) választani. A tranzisztoroknál fontos szempont a kollektor kapacitás, ami lehetőleg 6-7pF-nál ne legyen több. A kísérletben kipróbált alkalmas tranzisztorok: MPSA42, 2SC945, BC148C, BC547C, BC171B, BC211, BC118, 2N3019, 2N3904. A legjobban beváltak közé tartozik az MPS2369, a 2SC3611 és a 2SC1815. Ezek erősítése nagyon kevés, ám kollektor kapacitásuk csak 3-4pF. A nagy erősítéssel rendelkező tranzisztor, pl. a 2SC1815 jobban melegedik, ám ennek kollektor kapacitása 2pF, ami miatt a legjobban bevált tranzisztorok közé sorolható. Az MPS2369 sokkal rövidebb időtartamú impulzusokat generál és ez nagyban növeli a sávszélességet:

A kísérletben a 2SC3611-re esett a választás, mert ennek TO-126-os tokozása megkönnyíti a hűtőbordára való csavarozást (bár a tranzisztor csak enyhén langyosodik fél órás üzemidő után is).

Ez az áramkör nem alkalmas nagy távolságra továbbítani az energiát, hisz a vezeték hosszúságával nő a jelveszteség. A vevő oldal egy szimpla egyenirányító, a LED csak egyik fél-hullámnál világít attól függően, hogy melyik kivezetésére csatlakoztattuk az antennát vagy a földelést. Az alábbi ábrán (falstad szimulátor) a LED negatív kivezetésére van az antenna illetve a földelés kötve, ezért a pozitív fél-hullámoknál világít.

Az antenna vagy a földelés szerepe, hogy elektronokat vigyen be, bezárva az áramkört, különben nem működik. Az elektronok azonban nem indulnak meg maguktól, szükség van egy nagyon erős sugárzásra a közeltérben, amit éppen a generátorból érkező vezeték juttat az áramkörbe. Hogy tapasztalni lehessen mekkora is az elektromos mező az adóvezeték körül, elég rácsavarni a LED bemenő vezetéket anélkül, hogy végeik közvetlen összeköttetésben legyenek:

Az egyenirányításnak köszönhetően az antenna és a bemenet hullámformája nem olthatja ki egymást, hisz egyik bemenet a pozitív, másik a negatív fél-hullámot hasznosítja.

A vevő LED sor mint AM detektor kivitelzhető sokkal érzékenyebb változatban is, ám ezek saját tápfeszültséget igényelnek, ami miatt elveszik az egyvezetékes energiaátvitel illúziója. Ellenben az egyszerű változat is működhet más készülékek közelében, melyek nagy frekvencián (legkevesebb kHz nagyságban) működnek és nagy elektromos mezőt produkálnak, mint például az LCD képernyő invertere, a Tesla tekercs vagy a rezonáns tekercsek: