Masz telefon. Masz tablet. Masz słuchawki. Gdzieś w szufladzie leży plątanina kabli, które działają tylko z jednym z tych urządzeń. To denerwujące. To nieskuteczne. Zastanawiasz się, czy istnieje czystszy sposób na utrzymanie działania sprzętu.
Na zdjęciu pojawia się bezprzewodowa ładowarka. Kładziesz urządzenie na płaskiej powierzchni i pojawia się zasilanie. Żadnych kabli. Żadnych widelców. Tylko magia? Nie. To jest fizyka. Dokładniej, jest to indukcja magnetyczna.
To nie jest science-fiction. Oto praktyczne zastosowanie zasad odkrytych ponad sto lat temu. Przebijemy się przez marketingowy szum i przyjrzymy się bliżej, w jaki sposób te platformy dostarczają moc Twojemu smartfonowi.
Wizja Tesli dotycząca bezprzewodowej energii elektrycznej
Nikola Tesla był nie tylko wynalazcą; był innowatorem. Na przełomie XIX i XX wieku popadł w konflikt z takimi gigantami jak Thomas Edison i Guglielmo Marconi. Położył podwaliny pod prąd zmienny (AC) i transmisję radiową. Ale miał też wspanialsze marzenie: świat bez przewodów.
W 1902 roku Tesla złożył wniosek o patent zatytułowany „Urządzenie do przesyłania energii elektrycznej”. Wyobraził sobie system, który mógłby przesyłać prąd z jednego przewodnika do drugiego bez kontaktu fizycznego.
Wizja Tesli nie powiodła się z powodu ograniczeń inżynieryjnych i braku pieniędzy. Ale pomysł pozostał.
Wczesne eksperymenty próbowały wykorzystać fale radiowe do przesyłania energii. Weź radio kryształkowe. Wykorzystuje długą antenę, diodę i kryształową słuchawkę. Nie wymaga baterii. Fale radiowe same w sobie niosą energię, która napędza dźwięk.
Jednak jest problem. Fale radiowe rozchodzą się we wszystkich kierunkach. Zanim dotrą do odbiornika, większość energii zostanie utracona. To nieskuteczne. Inżynierowie potrzebowali bliższego i bardziej skoncentrowanego podejścia. Znaleźli to w magnetyzmie.
Wkład Daniela Wattsa Troya
Tesla nie był jedynym, który o tym myślał. W 1903 roku Daniel Watts Troy złożył wniosek o patent na metodę bezprzewodowego przesyłania mocy. Jego praca, podobnie jak praca Tesli, położyła podwaliny pod technologię, z której korzystamy dzisiaj. Okazuje się, że przesyłanie energii elektrycznej drogą powietrzną wymaga precyzji, a nie tylko transmisji rozgłoszeniowej.
Związek między magnesami i elektrycznością
Aby zrozumieć jak działają ładowarki bezprzewodowe, musisz zrozumieć elektromagnetyzm. To moc, która zasila niezliczone urządzenia elektroniczne.
Zacznijmy od prostego elektromagnesu. Weź żelazny gwóźdź. Owiń wokół niego izolowany drut miedziany. Podłącz końcówki do akumulatora. Prąd przepływa przez cewkę. Powoduje to wytworzenie pola magnetycznego wokół paznokcia. Gwóźdź staje się magnesem.
Jeśli zmienisz podłączenie akumulatora, polaryzacja będzie się zmieniać. Północ staje się południem. Południe staje się północą. Zmienia się kierunek pola magnetycznego.
Teraz zbliż drugą cewkę drutu do pierwszej. Nie dotykaj jej. Po prostu umieść go obok. Jeśli podłączysz drugą cewkę do woltomierza, zobaczysz ruch igły. Dlaczego?
Ponieważ zmienia się pole magnetyczne pierwszej cewki. To zmieniające się pole indukuje przepływ elektronów w drugiej cewce. Nazywa się to indukcją elektromagnetyczną.
Stabilne pole magnetyczne nic nie robi. To musi się zmienić. Powinno pulsować. Dlatego też prąd stały (DC) sam w sobie nie działa w trybie indukcji. Prąd musi być przemienny.
Sprzężenie prądu przemiennego i indukcyjnego
Większość energii elektrycznej w gospodarstwach domowych to prąd przemienny (AC). Prąd płynie w jednym kierunku, a następnie w innym setki razy na sekundę.
Po podłączeniu elektromagnesu do prądu przemiennego kierunek prądu stale się zmienia. Pole magnetyczne rozszerza się, kurczy, zmienia kierunek i ponownie się rozszerza. Jest to stale zmieniające się pole magnetyczne.
Oto kluczowy punkt. Stabilny magnes nie może indukować prądu w pobliskiej cewce. Możesz sprawić, że będzie zmienny.
Jeśli owiniesz drut wokół gwoździa i losowo zmienisz kierunek prądu, pola magnetyczne będą się wzajemnie znosić. Nic nie dostaniesz. Ale kiedy synchronizujesz zmiany, tworzysz silne pole oscylacyjne.
Ładowarki bezprzewodowe wykorzystują to pole oscylacyjne. Platforma ładowarki zawiera cewkę przenoszącą. Zasilany jest prądem przemiennym. Tworzy pole magnetyczne o wysokiej częstotliwości. Telefon posiada cewkę odbiorczą. Po umieszczeniu telefonu na platformie cewka odbiorcza znajduje się w polu magnetycznym nadajnika. Pole zmienia się szybko. To indukuje prąd przemienny w cewce telefonicznej.
Prąd ten jest następnie przekształcany z powrotem na prąd stały w celu naładowania akumulatora.
Granice wydajności
To nie jest idealne. Podczas konwersji następuje utrata energii. Wytwarzane jest ciepło. Aby uzyskać maksymalną wydajność, cewki muszą być ściśle ułożone. Jeśli umieścisz telefon poza środkiem, pole magnetyczne będzie słabsze. Ładowanie zwalnia lub zatrzymuje się.
Dlatego wyrównanie jest ważne. Dlatego czujesz, że platforma się nagrzewa. To nie magia. To jest fizyka. I jest niedoskonała.
Ale to działa. A dla wielu osób taki kompromis jest tego wart. Koniec z szukaniem odpowiedniego kabla. Nigdy więcej splątanych przewodów. Po prostu odłóż go i naładuj.
Technologia ewoluowała od czasów Tesli. Cewki stały się mniejsze. Częstotliwości są wyższe. Wydajność jest lepsza. Ale podstawowa zasada pozostaje ta sama. Zmieniając pole magnetyczne, zmieniasz prąd.
Czy to przyszłość przesyłu energii? Może. Na razie jest to po prostu wygodny sposób na utrzymanie działania urządzenia.
Większość ładowarek bezprzewodowych opiera się na sprzężeniu indukcyjnym. To prosta koncepcja. Podłączasz matę do gniazdka. Wewnątrz cewki wytwarzają zmienne pole magnetyczne, wykorzystując prąd przemienny z sieci.
Twój telefon musi współdziałać z tym polem. Natywne wsparcie jest rzadkie. Palm Pre miał kiedyś tę funkcję, ale większość urządzeń jej nie ma. Potrzebujesz specjalnego etui lub adaptera. Obudowy te zawierają pasującą cewkę. Urządzenie kładziesz na macie. Pole magnetyczne indukuje prąd wewnątrz cewki. Prąd ten ładuje akumulator.
Pomiędzy matą a telefonem nie przepływa prąd stały. Podniesienie gadżetu jest bezpieczne.
Ale technologia ma ograniczenia. Odległość ma znaczenie. Przesuń telefon lekko na bok, a ładowanie zostanie zatrzymane. Niektóre dywany próbują temu zaradzić, stosując wypukłe żebra lub drukowane kontury. Zapewniają wyrównanie. Zapewniają, że cewki są wystarczająco blisko, aby działać.
Na rynku dominuje sprzęgło indukcyjne. To nie jest jedyna opcja. Istnieją inne metody. Połączenia przewodowe. Transmisje radiowe. Wi-Fi?
Granice pól magnetycznych
Ładowanie indukcyjne sprawdza się dobrze w przypadku urządzeń o niskim poborze mocy. Telefony. Oglądać. Słuchawki. Zasięg jest krótki. Zwykle mniej niż cal. Dlatego ważny jest precyzyjny montaż.
Jeżeli cewki nie są do siebie dopasowane, transfer energii drastycznie spada. Wydajność cierpi. Ciepło gromadzi się. Ładowanie zwalnia lub zatrzymuje się. Jest to główny powód frustracji użytkowników. Musisz idealnie ustawić urządzenie.
Niektórzy producenci rozwiązują ten problem, dodając pętle sprzężenia zwrotnego. Czujniki wykrywają przemieszczenie. Mata reguluje moc lub powiadamia Cię za pośrednictwem aplikacji. Inni używają wielu cewek. Skanują w poszukiwaniu obecności urządzenia. Aktywna jest tylko cewka znajdująca się najbliżej telefonu. Poprawia to wydajność. Zmniejsza straty energii.
Alternatywy dla indukcji
Indukcja jest powszechna. Ale to nie jedyny sposób. Inne technologie obiecują inne korzyści.
Ładowanie przewodowe wykorzystuje styki fizyczne. Piny Pogo. Platformy metalowe. Urządzenie umieszcza się na stacji dokującej. Prąd przepływa bezpośrednio. Nie wymaga pola magnetycznego. Ta metoda może być bardziej skuteczna. Może wytrzymać dużą moc. Wymaga to jednak precyzyjnego ustawienia. A styki mogą się zużyć. Lub zbieraj kurz.
Inną opcją jest ładowanie za pomocą częstotliwości radiowej (RF). Wykorzystuje fale elektromagnetyczne. Podobnie jak Wi-Fi. Lub Bluetooth. Fale niosą energię. Odbiorca je odbiera. Konwertuje na prąd stały (DC). Umożliwia to ładowanie na duże odległości. Może kilka metrów. Ale gęstość energii jest niska. To jest powolne. Nadaje się do małych czujników. Lub urządzenia IoT o niskim poborze mocy. Nie dla smartfonów z szybkim ładowaniem.
Sprzężenie rezonansowe jest odmianą indukcji. Zarówno nadajnik, jak i odbiornik rezonują na tej samej częstotliwości. Pozwala to na lepszą wydajność. I trochę większy zasięg. Może kilka centymetrów. To wciąż praca w toku. Dopóki nie stało się to mainstreamem.
Dlaczego to jest ważne?
Wygoda bezprzewodowego ładowania jest prawdziwa. Żadnych kabli. Brak zużycia portu. Po prostu odłóż go i naładuj. Ale technologia jest niedoskonała. Skuteczność jest różna. Kompatybilność jest fragmentaryczna. Nie wszystkie telefony to obsługują. Nie wszystkie maty obsługują szybkie ładowanie.
W przyszłości mogą pojawić się rozwiązania hybrydowe. Indukcja do natychmiastowego ładowania. RF do powolnego ładowania w tle. Lub przewodowe stacje dokujące do zastosowań wymagających dużej mocy.
Do tego czasu nadal masz problemy z wyrównaniem. I ograniczony zasięg. Dywan pozostaje na stole. Odbierzesz telefon, kiedy będziesz gotowy. Bateria się napełnia. Powoli. Cichy.
Co się stanie, gdy trzeba naładować wiele urządzeń? Albo poruszać się po pokoju? Obecne rozwiązania nie dają jeszcze odpowiedzi na to pytanie.
Chociaż maty indukcyjne wydają się magiczne, ale cierpią na brak precyzji, ładowanie poprzez kontakt przewodowy (ładowanie przewodzące) jest znacznie bardziej dosłowne. Całkowicie omija pola magnetyczne, tworząc bezpośredni obwód elektryczny. Sprzęt jest prosty: mata ładująca wyposażona w paski przewodzącego metalu. Gdy telefon dotknie tych pasków, zasilanie jest przesyłane bezpośrednio do urządzenia.
Ale jest niuans. Twój telefon nie może po prostu leżeć na stole i liczyć na najlepsze. Wymaga punktów kontaktu fizycznego. Styki te są albo wbudowane w korpus urządzenia, albo umieszczone w specjalnej obudowie. Umieszczasz telefon w etui, dopasowujesz go do metalowego paska ładowarki i dociskasz. Obwód jest zamknięty. Prąd zaczyna płynąć.
Połączenie jest koniecznością. Jeżeli styki obudowy nie będą pasować do pasków na powierzchni, ładowanie nie nastąpi. Słaby styk przerywa połączenie. Ale gdy wszystko działa poprawnie, wzrost wydajności jest znaczący.
Ładowanie indukcyjne, standard, który wszędzie widzisz, cierpi na straty. Według Wireless Power Consortium zwykle działa z wydajnością od 50 do 70 procent. Oznacza to, że co najmniej 30 procent energii elektrycznej pobieranej z gniazdka jest tracone w postaci ciepła lub błądzących pól magnetycznych. Sprzężenie przewodzące eliminuje te straty. Bezpośredni kontakt oznacza mniejsze straty energii podczas transmisji.
Jest jeszcze teoria na marginesie: zbieranie sygnału RF. Niektóre systemy próbują przekształcić fale radiowe tła w prąd stały. Brzmi to jak science fiction, ale fizyka tego procesu jest prawdziwa. Problemem jest skala. Jeśli nie stoisz obok mocnej anteny nadawczej lub źródła dużej mocy, energia uzyskiwana z szumu Wi-Fi w tle lub sygnałów komórkowych jest znikoma. Stojąc obok wieży nadawczej, nie będziesz mógł naładować telefonu.
Rzeczywistość standardów bezprzewodowych
Przejście na metody przewodzące lub hybrydowe uwydatnia ograniczenia obecnych standardów indukcyjnych. Dla zwykłych użytkowników oznacza to, że grubsze etui mogą stanowić problem, jeśli uniemożliwiają bezpośredni kontakt. Z drugiej strony producenci mogą zintegrować te paski stykowe bezpośrednio z korpusem telefonu, eliminując potrzebę stosowania nieporęcznych etui.
Wydajność jest ważna nie tylko ze względu na rachunki za prąd. Wpływa to na wytwarzanie ciepła i prędkość ładowania. System o sprawności 70% jest chłodniejszy i zużywa mniej energii z sieci niż system o sprawności 50%. Ponieważ urządzenia zużywają więcej energii, każdy procent strat w zarządzaniu energią i ciepłem staje się droższy.
Pozyskiwanie energii o częstotliwości radiowej jest nadal w dużej mierze obszarem eksperymentalnym w elektronice użytkowej. Gęstość sygnału w środowiskach miejskich jest zbyt niska, a współczynniki konwersji energii są zbyt niskie, aby umożliwić nawet krótkotrwałe ładowanie nowoczesnych smartfonów. To rozwiązanie szukające problemu, który na poziomie konsumenta nie istnieje.
W tym rozwoju nie chodzi o to, aby ładowanie bezprzewodowe było naprawdę „bezprzewodowe”. Chodzi o to, aby połączenie było bardziej fizyczne, bardziej bezpośrednie i ostatecznie bardziej wydajne. W przyszłości może to nie być tak proste, jak pozostawienie telefonu na powierzchni i odejście. Może to być precyzyjne, dotykowe kliknięcie, od którego liczy się każda kropla energii.
