Anda punya telepon. Anda memiliki tablet. Anda memiliki earbud. Di suatu tempat di dalam laci terdapat kabel kusut yang hanya berfungsi pada salah satu perangkat ini. Itu menjengkelkan. Ini tidak efisien. Ingin tahu apakah ada cara yang lebih bersih untuk menjaga peralatan Anda tetap berjalan.
Masukkan pengisi daya nirkabel. Anda meletakkan perangkat pada permukaan yang rata dan listrik muncul. Tidak ada kabel. Tidak ada colokan. Hanya sihir? Tidak. Itu fisika. Lebih tepatnya, ini adalah induksi magnet.
Ini bukan fiksi ilmiah. Ini adalah penerapan praktis dari prinsip-prinsip yang ditemukan lebih dari seratus tahun yang lalu. Kami menghilangkan hambatan pemasaran dan melihat lebih dekat bagaimana bantalan ini mengirimkan energi ke ponsel cerdas Anda.
Visi Tesla tentang listrik tanpa kabel
Nikola Tesla bukan hanya seorang penemu; dia adalah seorang pengganggu. Pada akhir tahun 1800-an dan awal tahun 1900-an, ia berkonflik dengan raksasa seperti Thomas Edison dan Guglielmo Marconi. Dia meletakkan dasar untuk arus bolak-balik (AC) dan transmisi radio. Namun ia juga mempunyai impian yang lebih besar: dunia tanpa kabel.
Pada tahun 1902, Tesla mengajukan paten berjudul “Peralatan untuk transmisi energi listrik”. Dia membayangkan sebuah sistem yang dapat mengalirkan listrik dari satu konduktor ke konduktor lainnya tanpa kontak fisik.
Visi Tesla gagal karena keterbatasan teknis dan uang. Tapi idenya tetap ada.
Eksperimen awal mencoba menggunakan gelombang radio untuk mengirimkan energi. Pertimbangkan radio kristal. Ia menggunakan antena kabel panjang, dioda, dan lubang suara kristal. Tidak diperlukan baterai. Gelombang radio sendiri membawa energi yang menggerakkan suara.
Namun, ada masalah. Gelombang radio merambat ke segala arah. Pada saat mereka mencapai penerima, sebagian besar energinya telah hilang. Ini tidak efisien. Para insinyur membutuhkan pendekatan yang lebih ketat dan fokus. Mereka menemukannya dalam magnetisme.
Kontribusi Daniel Watts Troy
Tesla bukan satu-satunya yang memikirkan hal ini. Pada tahun 1903, Daniel Watts Troy mengajukan paten untuk metode transmisi daya nirkabel. Karyanya, bersama dengan Tesla, meletakkan dasar bagi teknologi yang kita gunakan saat ini. Ternyata penyiaran dering listrik melalui udara memerlukan ketelitian, tidak hanya sekedar penyiaran saja.
Hubungan antara magnet dan listrik
Untuk memahami cara kerja pengisi daya nirkabel, Anda perlu memahami elektromagnetisme. Ini adalah kekuatan yang menggerakkan perangkat elektronik yang tak terhitung jumlahnya.
Mulailah dengan elektromagnet sederhana. Ambil paku besi. Bungkus kawat tembaga terisolasi di sekelilingnya. Hubungkan ujungnya ke baterai. Arus mengalir melalui kumparan. Hal ini menciptakan medan magnet di sekitar kuku. Paku menjadi magnet.
Jika Anda mengganti sambungan baterai, polaritasnya juga berubah. Utara menjadi selatan. Selatan menjadi utara. Medan magnet berganti arah.
Sekarang dekatkan gulungan kawat kedua ke gulungan pertama. Jangan menyentuhnya. Letakkan saja di dekatnya. Jika Anda menghubungkan kumparan kedua ke voltmeter, Anda akan melihat jarumnya bergerak. Mengapa?
Karena medan magnet kumparan pertama bergantian. Perubahan medan ini menginduksi aliran elektron pada kumparan kedua. Ini disebut induksi elektromagnetik.
Medan magnet yang stabil tidak menghasilkan apa-apa. Itu harus bergantian. Itu harus berdenyut. Inilah sebabnya mengapa arus searah (DC) saja tidak berfungsi dalam induksi. Arusnya harus bergantian.
Kopling Arus Bolak-balik dan Induktif
Sebagian besar listrik rumah tangga adalah arus bolak-balik (AC). Arus mengalir dalam satu arah dan kemudian ke arah lainnya ratusan kali per detik.
Saat Anda menghubungkan elektromagnet ke arus bolak-balik, arah arusnya bergantian secara terus menerus. Medan magnet mengembang, mengempis, berbalik arah, dan mengembang lagi. Ini adalah medan magnet yang terus berubah.
Itu kuncinya. Magnet yang stabil tidak dapat menginduksi arus pada kumparan di dekatnya. Anda bisa membuat alternatif.
Jika Anda melilitkan kawat pada paku dan secara acak mengubah arah arus, medan magnet akan hilang. Anda tidak mendapatkan apa pun. Namun saat Anda menyinkronkan alternatifnya, Anda menciptakan medan yang kuat dan berosilasi.
Pengisi daya nirkabel menggunakan bidang osilasi ini. Bantalan pengisi daya berisi koil pemancar. Hal ini didukung oleh arus bolak-balik. Ini menciptakan medan magnet frekuensi tinggi. Ponsel ini memiliki koil penerima. Saat Anda meletakkan telepon di atas bantalan, kumparan penerima berada di medan magnet pemancar. Bidang berubah dengan cepat. Hal ini menginduksi arus bolak-balik pada kumparan telepon.
Arus ini kemudian diubah kembali menjadi arus searah untuk mengisi baterai.
Batas efisiensi
Itu tidak sempurna. Energi hilang selama konversi. Panas dihasilkan. Untuk efisiensi maksimum, kumparan harus sejajar. Jika Anda meletakkan ponsel tidak di tengah, medan magnetnya akan melemah. Pengisian daya melambat atau berhenti.
Inilah mengapa penyelarasan itu penting. Inilah sebabnya mengapa Anda merasa pembalut menjadi hangat. Itu bukan sihir. Itu fisika. Dan itu berantakan.
Tapi itu berhasil. Dan bagi banyak orang, pengorbanan ini sepadan. Tidak perlu lagi mencari kabel yang tepat. Tidak ada lagi kabel yang kusut. Cukup letakkan dan isi daya.
Teknologi telah berkembang sejak zaman Tesla. Kumparannya lebih kecil. Frekuensinya lebih tinggi. Efisiensi lebih baik. Namun prinsip dasarnya tetap sama. Saat Anda mengganti medan magnet, Anda mengganti arus.
Apakah ini masa depan transmisi listrik? Mungkin. Untuk saat ini, ini hanyalah cara mudah untuk menjaga perangkat Anda tetap berjalan.
Sebagian besar bantalan pengisi daya nirkabel mengandalkan kopling induktif. Ini adalah konsep yang sederhana. Anda memasang tikar ke dinding. Di dalam, kumparan menciptakan medan magnet yang berubah menggunakan arus bolak-balik dari stopkontak Anda.
Ponsel Anda perlu berinteraksi dengan bidang itu. Dukungan asli jarang terjadi. Palm Pre pernah menampilkannya, tetapi sebagian besar perangkat tidak. Anda memerlukan casing atau adaptor khusus. Selongsong ini berisi kumparan yang serasi. Anda meletakkan perangkat Anda di atas matras. Medan magnet menginduksi listrik di dalam kumparan. Arus itu mengisi baterai.
Tidak ada arus searah yang mengalir antara matras dan telepon. Aman untuk mengambil gadget tersebut.
Namun teknologi memiliki batasnya. Jarak itu penting. Gerakkan ponsel sedikit ke samping dan pengisian daya berhenti. Beberapa pembalut mencoba memperbaikinya dengan tonjolan yang menonjol atau garis yang dicetak. Mereka memaksakan keselarasan. Mereka memastikan kumparan cukup dekat untuk bekerja.
Kopling induktif mendominasi pasar. Ini bukanlah satu-satunya pilihan. Ada metode lain. Koneksi konduktif. Transmisi radio. WiFi?
Batas Medan Magnet
Pengisian daya induktif berfungsi dengan baik untuk perangkat berdaya rendah. Telepon. Jam tangan. earbud. Jangkauannya pendek. Biasanya kurang dari satu inci. Itulah mengapa penempatan yang presisi itu penting.
Jika kumparan tidak sejajar, transfer energi turun tajam. Efisiensi menderita. Panas menumpuk. Pengisian daya melambat atau berhenti. Ini adalah frustrasi utama bagi pengguna. Anda harus mengaturnya dengan benar.
Beberapa produsen mengatasi hal ini dengan menambahkan putaran umpan balik. Sensor mendeteksi ketidaksejajaran. Pad menyesuaikan daya atau memperingatkan Anda melalui aplikasi. Yang lain menggunakan banyak kumparan. Mereka memindai perangkat tersebut. Mereka hanya mengaktifkan koil yang paling dekat dengan telepon. Hal ini meningkatkan efisiensi. Ini mengurangi energi yang terbuang.
Alternatif Induksi
Induksi adalah hal biasa. Ini bukanlah satu-satunya cara. Teknologi lain menjanjikan manfaat berbeda.
Pengisian daya konduktif menggunakan kontak fisik. Pin pogo. Bantalan logam. Perangkat terpasang ke dok. Listrik mengalir secara langsung. Tidak diperlukan medan magnet. Cara ini bisa lebih efisien. Ini menangani kekuatan yang lebih tinggi. Tapi itu membutuhkan keselarasan yang tepat. Dan kontaknya bisa aus. Atau kumpulkan debu.
Pengisian frekuensi radio (RF) adalah pilihan lain. Ia menggunakan gelombang elektromagnetik. Seperti Wi-Fi. Atau Bluetooth. Gelombang membawa energi. Penerima menangkapnya. Mengubahnya menjadi daya DC. Hal ini memungkinkan pengisian daya dalam jarak yang lebih jauh. Mungkin beberapa meter. Namun kepadatan energinya rendah. Ini lambat. Cocok untuk sensor kecil. Atau perangkat IoT berdaya rendah. Bukan untuk ponsel pintar dengan pengisian cepat.
Kopling resonansi adalah variasi induksi. Baik pemancar maupun penerima beresonansi pada frekuensi yang sama. Hal ini memungkinkan efisiensi yang lebih baik. Dan jangkauannya sedikit lebih jauh. Mungkin beberapa sentimeter. Ini masih dalam pengembangan. Belum menjadi arus utama.
Mengapa Itu Penting
Kenyamanan pengisian daya nirkabel sungguh nyata. Tidak ada kabel. Tidak ada keausan pada port. Jatuhkan saja dan isi daya. Namun teknologinya tidak sempurna. Efisiensi bervariasi. Kompatibilitas terfragmentasi. Tidak semua ponsel mendukungnya. Tidak semua pad mendukung pengisian cepat.
Masa depan mungkin akan memiliki solusi hybrid. Induksi untuk pengisian segera. RF untuk pengisian daya tetesan sekitar. Atau dock konduktif untuk kebutuhan daya tinggi.
Sampai saat itu tiba, Anda masih menghadapi masalah penyelarasan. Dan jangkauan terbatas. Matrasnya tetap di atas meja. Anda mengangkat telepon saat Anda siap. Baterai terisi. Perlahan-lahan. Diam-diam.
Apa yang terjadi jika Anda perlu mengisi daya beberapa perangkat? Atau bergerak di sekitar ruangan? Solusi yang ada saat ini belum menjawab hal tersebut.
Jika bantalan induktif terasa seperti sihir tetapi kurang presisi, pengisian daya konduktif jauh lebih literal. Ini sepenuhnya melewati medan magnet, menciptakan sirkuit langsung. Perangkat kerasnya sederhana: alas pengisi daya yang dilengkapi dengan potongan logam konduktif. Saat ponsel Anda menyentuh strip ini, daya langsung mengalir ke perangkat.
Tapi ada batasannya. Ponsel Anda tidak bisa hanya diam di atas meja dan berharap yang terbaik. Ini membutuhkan titik kontak fisik. Kontak-kontak ini diintegrasikan ke dalam rumah perangkat atau ditempatkan dalam selongsong khusus. Anda memasukkan telepon ke dalam casing, sejajarkan dengan strip logam pengisi daya dan tekan ke bawah. Sirkuit ditutup. Kekuatan bergerak.
Penyelarasan tidak bisa dinegosiasikan. Jika kontak selongsong tidak mengenai strip di permukaan, Anda tidak akan mendapatkan apa pun. Kesesuaian yang longgar memutuskan sambungan. Namun ketika berhasil, peningkatan efisiensinya signifikan.
Pengisian daya induktif, standar yang Anda lihat di mana-mana, berjuang melawan kerugian. Menurut Wireless Power Consortium, biasanya efisiensinya hanya 50-70 persen. Artinya setidaknya 30 persen listrik yang diambil dari dinding terbuang sebagai panas atau medan nyasar. Kopling konduktif menghindari hambatan itu. Kontak langsung berarti lebih sedikit energi yang hilang selama transmisi.
Lalu ada teori pinggiran: pengumpulan frekuensi radio. Beberapa sistem berupaya mengubah gelombang RF sekitar menjadi arus searah. Kedengarannya seperti fiksi ilmiah, tapi fisikanya nyata. Masalahnya adalah skala. Kecuali Anda berdiri di samping antena siaran besar atau sumber siaran berdaya tinggi, daya yang Anda peroleh dari kebisingan latar belakang sinyal Wi-Fi atau ponsel dapat diabaikan. Anda tidak akan mengisi daya ponsel Anda melalui menara stasiun radio.
Realitas standar nirkabel
Peralihan ke metode konduktif atau hibrid menyoroti keterbatasan standar induktif saat ini. Untuk pengguna sehari-hari, ini berarti casing yang lebih tebal dapat menjadi masalah jika mengganggu titik sambungan langsung. Sebaliknya, produsen juga dapat mengintegrasikan strip sentuh ini langsung ke sasis ponsel, sehingga menghilangkan kebutuhan akan casing yang besar.
Efisiensi tidak hanya penting pada tagihan listrik Anda. Ini mempengaruhi produksi panas dan kecepatan pengisian daya. Sistem dengan efisiensi 70 persen berjalan lebih dingin dan mengonsumsi daya listrik lebih sedikit dibandingkan sistem dengan efisiensi 50 persen. Ketika perangkat mengonsumsi lebih banyak energi, setiap persentase poin yang hilang dalam pengelolaan energi dan panas menjadi lebih mahal.
Pemanenan radio sebagian besar masih bersifat eksperimental dalam elektronik konsumen. Kepadatan sinyal di lingkungan perkotaan terlalu jarang, dan tingkat konversi energi terlalu rendah untuk mendukung pengisian daya smartphone modern sekalipun. Ini adalah solusi untuk mencari masalah yang tidak ada pada skala konsumen.
Perkembangan ini bukan tentang menjadikan pengisian daya nirkabel menjadi “nirkabel”. Ini tentang membuat koneksi lebih bersifat fisik, lebih langsung, dan pada akhirnya lebih efisien. Di masa depan, ini mungkin bukan lagi tentang meletakkan telepon dan pergi. Ini bisa menjadi klik yang tepat dan taktil yang membuat setiap tetes energi berarti.
