Мир без проводов: обзор технологии беспроводной зарядки

Основы беспроводной зарядки

Qi (произносится как «Ци») зарядка является оптимизированной индуктивной зарядкой, также известной как «беспроводная зарядка», позволяющая вам заряжать ваши устройства без проводов. С помощью индуктивной передачи без использования отдельных зарядных устройств, кабелей или адаптеров заряжаются аккумуляторы только совместимых устройств. Для этого вам необходимо просто поместить ваше совместимое устройство на беспроводную площадку и наблюдать, как оно заряжается.

Что такое Qi зарядка

Это оптимизированная индуктивная зарядка, также известная как «беспроводная зарядка». Она позволяет заряжать ваши устройства без использования проводов. С помощью индукционной передачи могут заряжаться аккумуляторы только совместимых устройств, для которых во время путешествия не понадобится никаких отдельных зарядных устройств, кабелей и адаптеров. Необходимо лишь положить совместимое устройство на беспроводную площадку и ждать, пока телефон зарядится.

В данной технической статье мы подробно рассмотрим, как работает беспроводное зарядное устройства.

Мировой стандарт беспроводной зарядки

Qi является стандартом универсального интерфейса для беспроводной зарядки. Это китайское слово, означающее «поток воздушной энергии» или «поток духовной энергии», произносится как «ци». Этот стандарт был разработан Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для передачи индуктивной электроэнергии на расстояние до 4 см, то есть до 1,6 дюйма.

Он был создан в декабре 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC). Спецификация маломощного Qi была опубликована WPC в 2009 году. В 2011 году WPC начал расширять спецификацию Qi до средней мощности.

Обзор системы

Система Qi включает в себя:

• базовую станцию;
• мобильные устройства;
• преобразование энергии;
• связь.

Давайте посмотрим, как работают эти составляющие для зарядки аккумулятора.

Базовая станция

Она содержит один или несколько передатчиков энергии, которые состоят из передающей катушки, которая генерирует переменное магнитное поле. Базовые станции, как правило, имеют плоскую поверхность, т.е. интерфейсную поверхность, на которую может быть помещено несколько устройств.

Мобильные устройства

Это устройства, которые потребляют индуктивную энергию. Это могут быть смартфоны или планшеты, у которых есть приемная катушка, которая входит в состав приемника энергии. Этот приемник обеспечивает питание аккумулятора. Блоки связи и управления также находятся в приемнике энергии.

Преобразование энергии

Передатчик в базовой станции имеет в своем составе блок преобразования энергии, который преобразует электрическую энергию в беспроводной энергетический сигнал. В то время как приемники в мобильных устройствах состоят из блока захвата энергии, который преобразует беспроводной энергетический сигнал обратно в электрическую энергию.

Связь

Блок связи и управления находится в приемниках энергии, и эта связь всегда сопровождается технологией под названием модуляция.

• Приемник в мобильном устройстве модулирует нагрузку путем переключения резистора модуляции (R_m) или конденсатора модуляции (C_m).
• Передатчик в базовой станции демодулирует отраженную нагрузку путем измерения тока первичной катушки (I_P) или напряжения первичной катушки (V_P)

Как это работает?

Как известно, для передачи энергии между двумя объектами используется электромагнитное поле. Вы, вероятно, помните из школьного курса физики о магнитной индукции. То же физическое явление используется и индуктивной зарядкой.

Как мы уже говорили выше, есть две катушки индуктивности: одна в передатчике, а другая в приемнике. Магнитное поле генерируется с помощью переменного тока в катушке передатчика, а это магнитное поле индуцирует напряжение в катушке приемника. То есть приемник в мобильном устройстве принимает энергию электромагнитного поля и преобразует ее в электрический ток для зарядки аккумулятора.

Производители мобильных устройств, которые работают с этим стандартом, включают в себя: Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, BlackBerry и Sony. Все эти устройства с логотипом Qi совместимы с беспроводными зарядными устройствами.

Методы выравнивания катушек

Есть два способа выравнивания передающей и приемных катушек для передачи энергии:

Управляемое позиционирование

Так как катушка передатчика находится в базовой станции, а катушка приемника – в мобильном устройстве, мобильное устройство должно быть помещено на определенное место на поверхности базовой станции.

Свободное позиционирование

При этом способе не требуется помещать мобильное устройство в определенном месте на поверхности базовой станции. Нет необходимости в непосредственном выравнивании с катушкой. При этом способе для создания магнитного поля и индуктивной зарядки аккумуляторов на месте размещения приемных катушек может использоваться несколько передающих катушек.

Режимы беспроводной зарядки

Все приемники Qi могут заряжаться в двух режимах:

• индуктивный режим;
• резонансный режим.

Режим работы определяется передатчиком. Давайте рассмотрим, как работают эти режимы.

Индуктивный режим

Для индуктивной зарядки предусматриваются сильно связанные системы. Для достижения лучших результатов передатчик должен работать на частоте, которая немного отличается от резонансной частоты, т.е. частоты приемника Qi. В этом режиме расстояние между передатчиком и приемником ограничивается несколькими миллиметрами. Эти сильно связанные системы помогают достичь высокую энергетическую эффективность.

Когда катушки имеют одинаковые размеры, и расстояние между ними меньше их диаметров, они, как говорят, сильно связаны (смотрите рисунок ниже). Здесь расстояние между катушками Z меньше диаметра катушек D.

Резонансный режим

Когда система имеет слабосвязанные катушки, зарядка производится в резонансном режиме. Когда расстояние между катушками приемника и передатчика больше диаметров катушек, магнитная связь между катушками уменьшается.

На рисунке изображено: расстояние Z между катушками больше, чем диаметры катушек, а это ослабляет магнитную связь между ними. Следовательно, системы, которые имеют низкую степень связи, должны работать на резонансной частоте приемника и имеют более низкую эффективность передачи энергии.

Какой из режимов лучше: индуктивный или резонансный?

Для беспроводной зарядки лучше всего подходят сильно связанные системы из-за более мощной передачи энергии и более низкого тепловыделения. Это является преимуществом для устройств, чувствительных к температуре, например, для смартфонов. Недостатком таких систем является то, что сильно связанные катушки чувствительны к нарушению соосности.

Слабосвязанные системы эффективны при передаче низких мощностей. Такие типы систем лучше всего подходят для приложений, которые имеют сильную электромагнитную индукцию или электродвижущую силу.

Лучший выбор зависит от конкретных потребностей.

Мощность зарядки Qi

Маломощная беспроводная зарядка Qi способна обеспечить на выходе приемника мощность до 5 ватт, тогда как зарядка средней мощности может обеспечивать до 120 ватт. Кроме того, во время процесса зарядки должна быть включена связь между передатчиком и приемником; процесс зарядки не запустится без связи, позволяющей устройствам взаимодействовать.

По сравнению с традиционной зарядкой, беспроводная зарядка считается более медленной, но ее достоинство заключается в том, что она безвредна для человека, так как беспроводные зарядные устройства излучают неионизирующие излучения.

Преимущества и недостатки

Беспроводная зарядка обладает рядом преимуществ и недостатков.

Преимущества:

• самое большое преимущество беспроводной технологии заключается в совместимости между зарядными устройствами и мобильными телефонами от разных производителей;
• передается неионизирующее излучение, которое не опасно для людей;
• нет необходимости постоянно подключать и отключать устройство для зарядки;
• все соединения защищены от коррозии.

Недостатки:

• слабосвязанные системы имеют низкую эффективность, что проявляется в большем выделении тепла;
• беспроводная зарядка протекает медленнее по сравнению с обычной зарядкой через кабель;
• сложность и увеличение стоимости производства.

Теги