Зарядка индуктивная – Беспроводная зарядка: идеология и расчет безопасности, схемотехника, изготовление своими руками

Содержание

СХЕМА ИНДУКЦИОННОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА

   Схему этого достаточно мощного индукционного зарядного делал для зарядки пинпоинтера. Однотактная не подошла - при катушках размерами 25х30 мм сложно передать большой ток, нужный для заряда аккумулятора 18650 емкостью 2,5 А/ч. Но обо всём по порядку. Взглянем на саму принципиальную схему (кликните для её увеличения).


   Рабочая частота - 100 кГц. Пробовал 200 кГц - лучше не стало, а ключевым полевикам (да и IR2153) проще работать на 100 кГц. Важным элементом схемы является конденсатор С4, с ним катушка L3 образовывает параллельный колебательный контур. Катушка содержит всего 7 витков провода 1 мм, а без этого конденсатора пришлось бы мотать значительно больше витков, уменьшая диаметр провода, чтобы вписаться в наши габариты, вследствие чего - больше потери на нагрев провода, так как даже с проводом 1 мм катушка греется достаточно сильно. Да и нужный ток без этого конденсатора не получить. 

   Резистор R2 нужен для подстройки частоты, чтобы не подбирать конденсатор С4. В итоге меняя частоту, мы меняем выходной ток схемы. Это нужно чтобы выставить нужный ток. Через 3 мм пластик, ЗУ способно передать ток 1А

, но при этом сильно греются катушки (значительно сильнее, чем транзисторы). Лучше выставить порядка 0.5 А


   Плату изначально делал под полумост - не хотелось делать отвод от середины катушки, потом скальпелем подправил под двухтактную. Поэтому прилагаемая печатка не проверенная, хотя натупить тут сложно.

Передатчик зарядного:

Передатчик зарядного беспроводного

Приемник индукционного ЗУ:

Приемник индукционного ЗУ

   Катушки мотал на разборную бобину из пластика 2 мм толщиной:

Катушки мотал на разборную бобину из пластика

   Приемную мотал без одной боковой крышки, подстелив под нее кусок бумаги и пропитывая в процессе суперклеем. Передающую пропитывал цапон лаком или резиновым клеем - что было под рукой. Но так как в процессе работы она будет сильно нагреваться, лучше залить ее эпоксидкой.

   Контролер заряда использую от Eddy71, но можно поставить и TL431 + LM317 или вообще, плату защиты от дохлого АКБ. Или взять батарею со встроенным контролером заряда. Просто тот контролер, который использую, не только заряжает, но и не дает разрядится аккумулятору ниже 3,1 Вольта и к нему подключена тактовая кнопка, позволяющая включать/выключать нагрузку.

   Блок питания для беспроводной зарядки применил 12 Вольт 2 Ампера, стоит 5 баксов, зато внутри стоит ШИМ контролер и полевичек на радиаторе. Есть даже фильтр сетевой, что меня порадовало. Это вам не дешёвый простой электронный трансформатор. 


   Вот внутренности этого источника питания:


   Автор статьи - xxx mumik.

   Форум по зарядным устройствам

   Обсудить статью СХЕМА ИНДУКЦИОННОГО ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА


Как работает беспроводная индуктивная зарядка? - Технология

Беспроводная зарядка работает по принципу электромагнитной индукции, которая производит напряжение на проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле или проводник, движущийся через стационарное магнитное поле.

В тот же день, когда смартфоны не были такими же распространенными, как сегодня, люди полагались на неуклюжие телефоны, у которых было только два важных компонента - дозвонщик и телефон. В те дни люди, вероятно, не думали о портативном телефоне, который мог бы быть очень полезен в карманах

,

это звучало бы как научная фантастика!

Быстро переходите к сегодняшнему дню, когда это будет сложная задача найти кого-то, кто не носит телефон везде, куда бы он ни пошел. Однако очень распространенная проблема с смартфонами - утечка батареи - их стремление быстро разряжать накопленную энергию. Хотя перезарядка телефонов через проводные адаптеры по-прежнему является наиболее часто встречающимся методом, беспроводная зарядка сигнализировала о новой эре перезарядки батарей телефонов без необходимости в проводах. В этой статье мы рассмотрим, как работает беспроводная зарядка и безопасно ли она.

Индуктивная зарядка

Смартфон размещен на базовой плате для индуктивной зарядки (Фото: Nebojsa Markovic / Shutterstock)

Электромагнитная индукция приводит к образованию напряжения на проводнике, помещенном в изменяющееся магнитное поле или проводнике, движущемся через стационарное магнитное поле.

Как работает индуктивная зарядка?

Когда источник питания к зарядному основанию / пластине включен, AC протекает через него и создает электромагнитное поле (изменяющееся магнитное поле) вокруг первичной обмотки. Когда вторичная катушка (катушка приемника, расположенная в смартфоне) находится в непосредственной близости от первой, электрический ток генерируется внутри катушки. AC, протекающий через катушку в смартфоне, преобразуется в постоянный ток (постоянный ток) по схеме приемника. DC, сгенерированный таким образом, может в конечном счете использоваться для зарядки аккумулятора смартфона.

Преимущества и недостатки

Это объясняется несколькими причинами. Наибольшим недостатком индуктивной зарядки является ее низкая эффективность, так как большая часть энергии теряется в виде тепла. В результате ваше устройство занимает гораздо больше времени, чем обычно. Кроме того, это дороже, чем ваши обычные проводные зарядные устройства.

Некоторым людям это кажется немного неудобным, так как вам нужно держать устройство на коврике все время, когда оно заряжается. Поэтому у вас нет роскоши использовать его, пока он заряжается. Тем не менее, это позаботились беспроводные зарядные устройства WiTricity, которые могут заряжать ваш телефон издалека.

Являются ли индуктивные беспроводные зарядные устройства б

Индуктивная зарядка смартфона - все о беспроводной зарядке!

Устройства, работающие без проводов, в настоящее время норма и обыденность. Каждый день мы используем мобильные телефоны, беспроводные наушники, клавиатуру и мышь. Интернет в наших домах также обычно беспроводный. Сейчас набирают популярность беспроводные зарядки для мобильных устройств.

Беспроводная зарядка iPhone

Беспроводная зарядка iPhone

Давайте посмотрим, как работает этот тип устройств, и какое индукционное зарядное устройство больше всего соответствует нашим ожиданиям.

Как работает беспроводная зарядка?

Хотя передача энергии без использования проводов звучит как фантастика, сам процесс не особенно сложен. Итак, как работает индуктивная зарядка? Все основано на явлении электромагнитной индукции, о котором большинство из нас учило на уроках физики. Чтобы индуктивная зарядка была возможной, зарядное устройство и телефон должны быть оснащены специальными катушками, благодаря которым создается электромагнитное поле.

После подключения зарядного устройства к источнику питания катушка начинает производить собственное электромагнитное поле. Таким образом, в непосредственной близости от нее накапливается электрический заряд. Находящаяся в нашем смартфоне катушка посредством индукции «получает» энергию, которая преобразуется в электричество, направляемое на аккумулятор. Таким образом, начинается процесс его зарядки.

 

Индуктивная зарядка

Индуктивная зарядка

Стандарты беспроводной зарядки

Чтобы процесс зарядки проходил гладко, зарядное устройство и наше мобильное устройство должны соответствовать одним и тем же стандартам. Таким общепризнанным и используемым стандартом является

Qi. Этот стандарт был согласован еще в 2009 году ведущими производителями мобильных устройств, входящих в Wireless Power Consortium.

Однако с тех пор потребовалось несколько лет, чтобы рынок и клиенты увидели идею беспроводной зарядки. Остальные производители постепенно начали вводить эту опцию для своих флагманских моделей. В 2017 году Apple объявила, что стандарт Qi будет соответствовать моделям iPhone 8, iPhone 8 Plus и iPhone X.

С 2009 года стандарт Qiбыл несколько раз улучшен. В своих первых версиях устройство должно было лежать прямо на зарядном устройстве, а сама загрузка была довольно медленной. В настоящее время стандарт Qi версии 1.2 не требует подключения девайса к зарядному устройству. Их можно отделить друг от друга на расстояние до 4 см!

Появилась также возможность зарядки нескольких устройств одновременно. Сам процесс заряда теперь проходит гораздо быстрее. Стандартная батарея смартфона может быть заряжена до половины примерно за 30 минут.

Накладки для беспроводной зарядки

Если мы знаем, что наш смартфон не подходит для индуктивной зарядки, это не значит, что мы должны покупать новую модель. Во многих случаях достаточно купить специальную накладку, которую следует прикрепить к задней части корпуса. Таким образом, мы можем адаптировать телефон для индуктивной зарядки.

Индуктивная зарядка – преимущества

Принимая решение о покупке индукционного зарядного устройства, стоит знать все его преимущества:

 

1. Удобство зарядки — достаточно положить телефон на зарядное устройство

Первое важное преимущество беспроводной зарядки вполне очевидно. Если Вы хотите зарядить телефон или прекратить зарядку, Вам не нужно каждый раз подключать и отсоединять кабель. Теперь достаточно положить его на зарядное устройство. Дома или в офисе мы обычно размещаем наши мобильные устройства в постоянном месте. Поэтому такая зарядка будет как нельзя кстати.

 

2. Зарядка нескольких устройств одновременно

Современное индукционное зарядное устройство Qi также может заряжать несколько устройств одновременно. Это очень удобно, потому что в случае классических зарядных устройств нам понадобится несколько розеток, а клубок проводов не будет эстетичным или практичным. В случае беспроводной зарядки просто положите смартфон, беспроводные наушники или смарт-часы на зарядное устройство, и все начнёт заряжаться.

 

Беспроводная зарядка для iPhone

Беспроводная зарядка для iPhone

 

3. Отсутствие проблем, связанных с повреждениями разъемов и портов

Отсутствие кабелей означает также отсутствие разъемов и портов, которые после долгого использования изнашиваются и ломаются. Сколько раз у нас были проблемы с плохим качеством разъема зарядного устройства в наших смартфонах? Беспроводная зарядка полностью устраняет эту проблему.

 

4. Удобно для водителя

Беспроводная зарядка Qi, кажется, создана специально для использования в автомобиле. Провод, соединяющий наш смартфон с гнездом прикуривателя, эстетически не приятен и может быть неудобен для водителя. Индукционное зарядное устройство, расположенное в нижней части специальной полки в автомобиле или помещенное в держатель телефона, является очень удобным решением.

 

5. Внешний вид

Несомненно, преимуществом индукционных зарядных устройств является их внешний вид. Для многих это важный аргумент. Такие устройства выглядят гораздо современнее, чем обычный провод, подключенный к розетке.

Индуктивная зарядка — недостатки

1. Более медленное время зарядки, чем у классического зарядного устройства

Недостаток, на который многие обращают внимание в первую очередь, это более медленное время зарядки. Причиной этого явления являются потери энергии, возникающие при изменении тока в электромагнитное поле. В зарядных устройствах с высоким ценовым диапазоном разница во времени зарядки не очень значительна.

Но все же, если мы сравним среднее индукционное зарядное устройство со средним классическим зарядным устройством, последнее зарядит наше мобильное устройство быстрее. Следовательно, лучше не покупать самое дешевое беспроводное зарядное устройство, если Вы хотите быстро заряжать. В этом случае давайте сосредоточимся на качестве.

 

2. Прерывание зарядки во время использования телефона

Для некоторых людей недостатком может быть также прерывание процесса зарядки, когда необходимо использовать телефон. Когда мы хотим позвонить, мы должны забрать смартфон из зарядного устройства. В случае классических зарядных устройств, в подобной ситуации, мы можем разговаривать с подключенным телефоном.

 

3. Нагрев индукционных зарядных устройств

Еще одна проблема — нагревание индукционных зарядных устройств. Во время зарядки выделяется много тепла. Поэтому некоторые производители этих устройств оснащают их небольшими вентиляторами. Такой вентилятор иногда может работать громко, и это будет слышно особенно ночью. Если Вы планируете поставить зарядное устройство рядом с кроватью, чтобы смартфон можно было заряжать ночью, лучше выбирать модели без активного охлаждения.

Измерение КПД беспроводных зарядных устройств в реальных условиях эксплуатации

В настоящее время беспроводные зарядные устройства могут быть реализованы различными способами, каждый из которых отличается своим набором преимуществ. Тем не менее, для всех типов беспроводных зарядных устройств насущным вопросом остается эффективность беспроводной передачи энергии. По понятным причинам многие инженеры относятся скептически к беспроводным зарядным устройствам, так как трудно представить себе, что две катушки индуктивности, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, могут сколь-нибудь эффективно передавать энергию заряжаемому аккумулятору.

Однако имеющиеся на сегодняшний день конкретные данные о КПД беспроводных зарядных устройств позволяют объективно оценивать различные стандарты и помогают сделать обоснованный выбор в отношении того или иного варианта зарядного устройства. Кроме того, данные об эффективности беспроводной передачи энергии позволяют разработчикам продукции определить, в какой мере приходится «расплачиваться» снижением КПД за те или иные преимущества для пользователя.

Следует признать, что в открытых публикациях содержится недостаточно данных, позволяющих сравнить различные стандарты беспроводной передачи энергии в реальных условиях эксплуатации. Разработчики источников электропитания обычно оценивают качество источника питания по его КПД в диапазоне нагрузок. Соответственно, и беспроводные системы зарядки, являющиеся, по сути, разновидностью источников питания, часто характеризуются эффективностью передачи энергии при заданном токе нагрузки. Однако применение этого правила, принятого в индустрии источников питания, дает искаженные и неточные характеристики применительно к беспроводным системам зарядки.

Более точно КПД беспроводного зарядного устройства можно определить путем сравнения энергии, накопленной аккумулятором в течение полного цикла зарядки, с энергией, полученной беспроводным передатчиком питания в течение того же цикла зарядки.

Беспроводная зарядка для бытовых мобильных электронных устройств получила широкое распространение и была реализована в нескольких вариантах, каждый из которых предлагает свой набор преимуществ. К сожалению, различные системы беспроводной зарядки не совместимы друг с другом, поэтому разработчикам, планирующим использование в своих изделиях технологии беспроводной зарядки, необходимо изучить преимущества и недостатки всех существующих стандартов. Основным критерием выбора системы беспроводной зарядки является компромисс между эффективностью передачи энергии и преимуществами, предлагаемыми пользователям. Однако отсутствие единой отраслевой методики измерения эффективности не позволяет оценить преимущества и недостатки основных вариантов беспроводной зарядки.

Основные характеристики систем беспроводной зарядки, использующих для передачи энергии переменное магнитное поле, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики систем беспроводной зарядки

Конфигурация катушек

Поддерживаемые стандарты

Рабочая частота, кГц

Структура антенны

Преимущества*

Резонансная (слабосвязанная)

Rezence

6780

Периметральная

Увеличенное расстояние по оси Z

Qi

105

Планарная или матрица катушек

Несколько устройств

Индуктивная (сильносвязанная)

Qi

110 ~ 205

Планарная или матрица катушек

Высокий КПД

PMA

200 ~ 300

Привлекательная цена

* - В настоящее время на рынке отсутствуют устройства, работающие по стандарту Rezence. Заявленные преимущества представлены на основе материалов, опубликованных в открытой печати.

Различия между стандартами беспроводной зарядки

Большинство беспроводных зарядных устройств выпускается в конфигурации с сильносвязанными катушками. Классическим примером такой системы является смартфон, установленный в беспроводную зарядную подставку на рабочем столе. Конфигурация с сильносвязанными катушками обеспечивает максимальный КПД, минимальный уровень помехоэмиссии и минимальную стоимость.

В слабосвязанных конфигурациях передатчик устанавливается на поверхности панели, столешницы или других частях мебели, при этом заряжаемое устройство может располагаться где-то поблизости от передатчика. Слабосвязанные конфигурации могут встраиваться в готовую мебель и охватывают 5…10% объема продаж беспроводных зарядных устройств. Их основным преимуществом является большее расстояние до заряжаемого устройства, что достигается за счет меньшего КПД и большей стоимости. Недостатком слабосвязанных конфигураций с высокой рабочей частотой является также проблема обеспечения соответствия нормам помехоэмиссии.

Одна из проблем, связанных с получением пригодных для практики данных об эффективности различных способов беспроводной зарядки, заключается в отсутствии согласованной методики измерений. Эффективность передачи энергии от катушки к катушке или от входа к выходу преобразователя постоянного тока не позволяют оценить общий КПД системы. Например, сильносвязанные (нерезонансные) и слабосвязанные (резонансные) системы могут обеспечить эффективность передачи энергии свыше 90%. Однако эти данные могут ввести в заблуждение, так как высокая эффективность передачи энергии не означает, что и общий КПД системы составляет 90%.

При измерениях с нагрузкой, подключенной к выходу выпрямителя беспроводного приемника (рис. 1, выход A), также можно получить высокие значения эффективности передачи энергии в нагрузку (более 85% в сильносвязанных и 75% в слабосвязанных системах). Но и эти данные не могут рассматриваться как характеристика общего КПД системы. Более точным показателем реальной эффективности являются результаты измерений на выходе стабилизатора напряжения (рисунок 1, выход B), однако его выходное напряжение и сопротивление нагрузки необходимо выбирать с учетом имитации цикла зарядки аккумулятора (рис. 1, выход C).

Рис. 1. Схема измерения КПД системы беспроводной зарядки

Консорциум беспроводного питания (Wireless Power Consortium, WPC), разработавший первый в мире стандарт беспроводной зарядки под названием Qi (произносится “Ци”), провел в Государственном университете штата Колорадо, США, измерение КПД двух типов беспроводных зарядных устройств: слабосвязанной системы с катушками, работающими в резонансе на частоте 6,78 МГц, и сильносвязанной нерезонансной системы с частотой коммутации 110…205 кГц. В обоих случаях использовалась типовая система зарядки аккумулятора мобильного телефона. В стабилизаторе напряжения и зарядном устройстве использовались импульсные преобразователи постоянного напряжения, в качестве которых были выбраны лучшие в своем классе устройства с КПД более 90%. Для имитации характеристик нагрузки была разработана модель аккумулятора емкостью 2100 мА * ч, описывающая процесс его заряда (рис. 2).


Рис. 2. Графики заряда литий-ионного аккумулятора емкостью 2100 мА * ч

Поскольку конструкция зарядных систем допускает установку пользователем приемной части (телефона) произвольным образом, испытания включали в себя также построение трехкоординатной пространственной карты эффективности передачи энергии. В обоих случаях приемник располагался оптимальным образом в плоскости X-Y с расстоянием между катушками 5 мм по оси Z. Измерения КПД проводились в течение типового цикла заряда аккумулятора (от 5 до 95%). Результаты исследований (рисунок 3) стали основой методики точной оценки КПД беспроводной зарядной системы.

Рис. 3. 3D-моделирование эффективности передачи энергии беспроводного зарядного устройства: а) для сильносвязанных катушек; б) для слабосвязанных катушек

По результатам испытаний было предложено, во-первых, рассчитывать КПД системы в реальных условиях эксплуатации как отношение энергии, накопленной аккумулятором, к энергии, полученной передатчиком в течение цикла заряда батареи. При питании резистивной нагрузки от беспроводного приемника можно достичь высоких показателей энергоэффективности — в некоторых случаях более 90% для низкочастотных систем. Однако результаты испытаний показывают, что общий КПД может значительно снизиться, если приемник является частью зарядного устройства аккумулятора, особенно в высокочастотных системах.

Уменьшение эффективности передачи энергии обусловлено двумя основными причинами:

  • высокочастотная система требует относительно высокого импеданса приемной антенны. Диапазон выходных напряжений приемника смещает усредненный по времени входной импеданс импульсного стабилизатора в рабочую точку, где эффективность передачи энергии значительно ниже;
  • значительные коммутационные потери в выходных транзисторах высокочастотных передатчиков.

Также было предложено представлять результаты измерения эффективности передачи энергии в виде усредненного пространственного показателя. С учетом карты распределения магнитного потока тестируемого передатчика КПД системы может значительно меняться, в зависимости от расположения заряжаемого устройства на поверхности или в пространстве. Для имитации реальных условий эксплуатации измерение КПД необходимо проводить с шагом 2 мм по всему профилю нагрузки. При использовании значений напряжения и импеданса, соответствующих модели аккумулятора, можно рассчитать общую энергию цикла заряда для любой точки пространства.

По результатам испытаний был предложен оптимальный способ расчета полной энергии в течение цикла заряда. Нагрузочная характеристика аккумулятора описывает изменение во времени напряжения на аккумуляторе VB(t) и тока заряда IB(t) в течение цикла зарядки. Энергию EB, полученную аккумулятором, можно вычислить следующим образом: в момент времени t цикла заряда приращение энергии аккумулятора равно произведению мощности P на интервал времени dt (формула 1):

Следовательно, энергия, поступающая в аккумулятор в течение цикла заряда, является интегралом от мощности, который, при расчете по дискретным интервалам времени, можно заменить простым суммированием (формула 2):

где Δt — шаг приращения, а tn — диапазон времени в течение цикла заряда.

В приведенных расчетах Δt составляло одну минуту, а tn (время заряда) устанавливалось программно от 1 до 150 мин. Аналогичным образом можно использовать зависимость КПД от тока заряда аккумулятора η(IB) для расчета доли энергии dES, израсходованной передатчиком для приращения энергии аккумулятора на величину dEB, как функции тока заряда аккумулятора (формула 3):

Таким образом, КПД цикла заряда определяется по формуле 4: 

Сравнение КПД различных способов беспроводной передачи энергии

Целью данного исследования является сравнение преимуществ и недостатков различных способов беспроводной зарядки. Первая из разработанных систем, сильносвязанная система Qi, была ориентирована на получение максимального КПД при минимальной стоимости. Этот вариант зарядки наиболее часто применяется в тех случаях, когда передатчик и приемник можно расположить в непосредственной близости друг от друга, например, в тумбочках со встроенным зарядным устройством, настольных зарядных панелях и станциях для зарядки телефонов в общественных местах.

Системы беспроводной зарядки с увеличенным расстоянием между приемником и передатчиком могут быть реализованы за счет некоторого снижения эффективности передачи энергии. Типичным примером таких систем являются зарядные устройства, встраиваемые в готовую мебель. Консорциум WPC предоставляет OEM-производителям полную свободу выбора наиболее подходящего для них варианта беспроводной зарядки при условии полной совместимости между устройствами, работающими по стандарту Qi.

При использовании описанной выше методики расчета эффективности в течение зарядного цикла можно построить график зависимости полной энергии от времени в течение цикла заряда аккумулятора для разных точек в зоне зарядки или в пространственной области зарядки. Как видно из графиков на рисунке 4, в течение цикла заряда аккумулятора емкостью 2100 мА * ч сильносвязанная система израсходовала на 50% меньше энергии источника питания, чем слабосвязанная система.

Рис. 4. Энергия, накопленная аккумулятором и энергия, полученная от источника питания сильносвзанным и слабосвязанным передатчиками

Потери в слабосвязанных высокочастотных и сильносвязанных низкочастотных системах определяются различными факторами. В слабосвязанной системе высокая рабочая частота приводит к значительным коммутационным потерям в передатчике (более 800 мВт), несмотря на использование в выходном каскаде нитрид-галлиевых транзисторов и переключение их в нуле напряжения. Очевидным преимуществом слабосвязанной резонансной системы является то, что потери при передаче энергии остаются сравнительно малыми даже при смещении катушек на расстояние до 20 мм.

Другим существенным фактором потерь является проблема отбора энергии в точке максимальной мощности (MPPT). Характеристический импеданс слабосвязанной приемной антенны (примерно 24 Ом) не соответствует импедансу аккумулятора (3,5…32 Ома). Большинство систем оптимизирует точку отбора мощности для максимальной нагрузки (4,2 В, 1,2 А, 3,5 Ом), однако на полную энергию заряда влияет также продолжительный по времени заряд при малой нагрузке и, соответственно, с более высоким импедансом.

Как следует из графиков на рис. 5, сильносвязанные системы обеспечивают более высокий КПД, чем слабосвязанные.

Рис. 5. Сравнение КПД беспроводных систем зарядки с сильносвязанными и слабосвязанными катушками

Основываясь на реальных данных, можно сделать вывод, что менее эффективную высокочастотную слабосвязанную систему нецелесообразно использовать в тех случаях, когда можно обойтись сильносвязанной. И наоборот, может оказаться целесообразным допустить некоторое снижение КПД для увеличения расстояния по оси Z. Поэтому спецификация беспроводного зарядного устройства, которая отвечает всем требованиям рынка, должна поддерживать как сильно-, так и слабо связанные конфигурации.

Всё о беспроводной зарядке | Слухи Pro Apple

В новом iPhone 8 уже наверняка будет возможность беспроводной зарядки. Это означает, что Apple считает эту технологию уже достаточно обкатанной и востребованной, чтобы использовать во флагманском смартфоне. Тем не менее, какой конкретно тип зарядки будет использоваться, пока точно неизвестно. Мы рассмотрим, какие виды беспроводной зарядки сейчас существуют, и подумаем, на какой технологии остановится фруктовая компания.

Типы зарядки принято делить по расстоянию работы на близкие, средние и дальние (close range, mid range и long range), так что для удобства мы сразу укажем, к какому семейству принадлежит каждый вид. 

0. Контактная зарядка. 
1.Индуктивная зарядка. (close range)
1а. Индуктивно-резонансная зарядка (mid range).
2. Микроволновая зарядка. (long range)
3. Ультразвуковая зарядка (long range).
4a. Радиочастотная зарядка (long range).
4б. Радиочастотная зарядка (close range). 
5. Солнечная батарея и инфракрасный лазер (long range).
Выводы и прогнозы

0. Контактная зарядка. 

Исторически это один из самых ранних видов беспроводной зарядки, он использовался еще с 50-х, начиная с самых первых электрических зубных щеток и домашних радиотелефонов. Суть весьма проста — для зарядки телефон кладется (или ставится) на «базу». На корпусе телефона, и на базе есть специальные металлические контакты, по которым при их соприкосновении и передается ток — трубка заряжается. Такой вид зарядки весьма надежен, но имеет несколько минусов:

  • Контакты со временем окисляются, и начинают плохо проводить ток.
  • Если положить трубку немного не так, контакта не будет и трубка не зарядится.  

Тем не менее, эта технология проста и эффективна, и используется в домашних телефонах и поныне. Помимо радиотелефонов, контактную зарядку можно встретить в электробритвах, джойстиках для игровых приставок, и даже фотоаппаратах.

На заре производства мобильных телефонов, каждый производитель считал себя обязанным предоставить пользователю зарядный стакан. Телефоны стоили столько, что плюс-минус 10 долларов не играли особой роли. 

Шли годы, и неизбежное удешевление ради объемов продаж сделало свое дело — зарядный стакан из обязательного аксессуара стал опцией, которую нужно было приобретать отдельно. Только модели самого высокого уровня комплектовались им из коробки.  Зарядные пластины исчезли с корпусов телефонов, а зоопарк разъемов убил все возможности для совместимости между моделями разных производителей.

В современных смартфонах контактная зарядка мало кем используется, тем не менее иногда появляются интересные концепты. Так, зарядное устройство FLI charge представляет собой коврик, поверхность которого покрыта проводящими пластинами, попеременно подключенных к плюсу и минусу питания.

[Best_Wordpress_Gallery id=»3″ gal_title=»FLI»]

Ответная же часть имеет группу контактов, расположенных так, чтобы при соприкосновении с пластинами не происходило короткого замыкания. Например, если положить телефон в таком чехле на коврик, система его распознает и подаст ток. Этот концепт, конечно, интересен, но вряд ли выживет в мире, где уже скоро каждый третий смартфон будет оснащен по-настоящему беспроводной зарядкой. 

В контексте контактной зарядки, не будет лишним упомянуть, что самый первый iPhone был укомплектован зарядным стаканом, что как бы подчеркивало его премиальный статус.

Тем не менее, контактная зарядка не является по-настоящему беспроводной, потому и идет в нашем списке нулевым пунктом.  

1.Индуктивная зарядка. (close range)

Слева зубная щетка GE с контактной зарядкой (1959), Справа щетка с индуктивной зарядкой (1970-e).

Эта технология почти ровесница контактной зарядки. Её первое коммерческое использование — снова зубная щетка. Она выпущена в 1970-х. Принцип его работы известен нам со школьной скамьи. Зарядное устройство создает электромагнитное поле, которое при близком контакте с катушкой-приемником, расположенной внутри аппарата, преобразуется обратно в электричество. Этот способ тоже не лишен недостатков — передача возможна только на маленьком расстоянии (4-5 мм), а для получения больших токов нужно создать очень сильное магнитное поле, которое будет влиять на другую аппаратуру и даже на людей. Поэтому такую зарядку используют только в таких маломощных устройствах, как зубные щетки и электробритвы. В последнее время технологию усовершенствовали, что сделало её пригодной для применения в мобильных телефонах и смартфонах.  В 2008 году основан Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC). В него входят компании, заинтересованные в разработке единого стандарта беспроводной зарядки. С февраля 2018 года в него входит и Apple. Консорциумом разработан стандарт QI, который сейчас является стандартом де-факто для всех смартфонов. 

Кстати, Apple владеет и собственными разработками по индуктивной зарядке — например, существует патент от 2011 года, описывающий зарядку смартфона через наушники, провод которых намотан на так называемую зарядную башню:

Кроме того, Apple запатентовала беспроводную зарядку своих устройств через стол (например, рабочий стол, или стол в магазине Apple Store), и через макбук: И конечно, не стоит забывать, что вышедшие в 2014 году смарт-часы Apple Watch уже оснащены беспроводной зарядкой индуктивного типа. 

1а. Индуктивно-резонансная зарядка (mid range).

 Формально это подвид индуктивной зарядки, но с некоторыми оговорками. Резонансную пару для передачи энергии на расстояние, изобрел еще Никола Тесла в 90-х годах позапрошлого столетия. Устройство требовало огромного количества энергии для работы, поэтому тогда оно было неэффективно. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и с современными материалами можно добиться того, что Тесле и не снилось. Принцип работы резонансной зарядки схож с обычной индуктивной. Главное отличие — и приёмник и передатчик энергии снабжены колебательным контуром, что позволяет значительно увеличить расстояние, на которое можно передать ток.

Самые свежие редакции стандарта QI используют именно этот принцип, не забывая, впрочем, и об обратной совместимости — старые QI-устройства будут нормально заряжаться новыми QI-зарядниками. Зато теперь максимальное расстояние, на котором работает QI-зарядка выросло до 4 см. 

2. Микроволновая зарядка. (long range)

Микроволны давно и успешно применяются на практике. Беспроводной передатчик энергии с помощью микроволн давно есть почти в каждой квартире.

Вот только с приемником есть небольшая проблема — очень уж он нагревается.

Строго говоря, эксперименты с передачей энергии микроволнами проводятся с самого их открытия, и небезуспешно —  уже возможна передача электричества на расстояние, измеряемое километрами, а в 2015 году группа исследователей Вашингтонского Университета продемонстрировала технологию Power over Wi-fi, с помощью который удалось заставить работать несколько камер вообще без батареи, а также без проводов зарядить фитнес-браслет. Из названия очевидно, что в данном случае энергия передавалась через Wi-fi, для чего использовалась специально доработанная точка доступа.

Конечно, здесь присутствуют те же проблемы, что и у других способов беспроводной зарядки — при безопасном для человека уровне сигнала мы получаем либо невысокую дальность, либо маленький ток. Тем не менее, работы в этом направлении ведутся, и прогресс налицо. Возможно, это и будет технологией будущего.  

Кстати, когда вышла iOS 8, в сети появились шуточные рекламные плакаты в стиле Apple, призывающие использовать новую микроволновую зарядку Apple.

Тех, кто решил это проверить, ожидало разочарование — пришлось менять и смартфон, и микроволновку. 

3. Ультразвуковая зарядка (long range).

Одни люди разрабатывают новые материалы и технологии для определенных целей, а другие задумываются, где еще их можно применить. Разрабатываемые для медицинских целей ультразвуковые излучатели привели некоторых инженеров к мысли, что их можно использовать для передачи энергии и в других областях. Один из первых патентов, описывающих ультразвуковую передачу питания, датирован 2004 годом. С тех пор многие пытаются применить этот способ на практике.

В 2011 году студентка пенсильванского университета Мередит Перри запатентовала и продемонстрировала рабочий прототип беспроводного зарядного устройства, использующего ультразвук. Она основала компанию uBeam, которая вот уже шестой год собирает инвестиции и разрабатывает устройство беспроводной зарядки на основе ультразвука.

Компания не публикует никаких технических параметров, но из её зарегистрированных патентов известно следующее: предполагается, что базовое устройство будет находиться внутри стены, и излучать ультразвук частотой 120 кГц и громкостью 165дБ. В среднем, человек слышит частоты до 20кГц, собаки до 60 кГц, кошки до 80 кГц, а летучие мыши — до 115. Таким образом, этот звук будет неслышен для всех живых существ, но при такой его громкости он становится носителем довольно большой энергии, которую и будет принимать специальное устройство, подключенное к смартфону, либо вмонтированное в него. И работать это будет, по заверениям компании, на расстоянии до 7 метров. К традиционному недостатку беспроводных зарядок — невысокой мощности, прибавляется и привязанность базовой станции к конкретному помещению. Некоторые издания весьма скептически относятся к компании uBeam и предлагаемой ей системе, считая, что обещаемые компанией параметры в лучшем случае завышены, а сам стартап uBeam — это пузырь для сбора инвестиций, особенно учитывая, что дальше одного рабочего прототипа компания так и не продвинулась. На недавней презентации в феврале 2017 года показали фактически то же самое устройство, что и на самой первой, в 2009 году.  

Не так давно, один из ведущих инженеров uBeam покинул копанию, и завёл блог «Lies, Damn Lies, and Startup PR», где изобличает компанию и её технологию.

Тем не менее, в том же, 2016 году два других инженера перешли из uBeam в Apple. Собирается ли самая инновационная компания в мире использовать ультразвуковую зарядку? Время покажет.

Кстати, еще в 2010 году Apple зарегистрировала другой патент почти беспроводной зарядки через наушники — на этот раз звуковые колебания должны преобразовываться наушниками в электромагнитные, и заряжать смартфон. 

Очевидно, технология не взлетела.

4a. Радиочастотная зарядка (long range).

Еще один вид беспроводной зарядки базируется на принципе передачи энергии по радиочастотам. Один из способов подразумевает сбор энергии прямо из эфира. В современном мире человека повсюду окружают радиоволны — это и излучение базовых станций для мобильных телефонов, и радиоэфир, и Wi-fi сигналы. Каждый из них несет пусть маленькую, но энергию. Например, точка доступа Wi-fi,,  как правило излучает сигнал мощностью в 50-100 мВт, а если вам повезло (или не повезло) находиться рядом с базовой станцией мобильной связи, то её мощность может составлять от нескольких до ста ватт. 

Комплект на основе специальной микросхемы Power Harvester позволяет преобразовывать любые радиосигналы в энергию для зарядки или питания любого маломощного устройства.  

Если рядом нет мощных передатчиков, то технология предусматривает возможность установки такового, работающего на частотах, не используемых другими потребителями. Вряд ли эта технология будет применяться в смартфонах, поскольку её массовое использование приведет к быстрому затуханию любого радиосигнала и необходимости многократно увеличивать мощности передатчиков. Никто не согласится это оплачивать, да и влияние такого увеличения на окружающую среду сложно предугадать. Тем не менее, любой желающий может приобрести комплект деталей и собрать устройство самостоятельно. 

4б. Радиочастотная зарядка (close range). 

Другая модель радиочастотной зарядки, разработанная израильской компанией Humavox, предусматривает специальное устройство-гнездо (nest), внутрь которого нужно поместить смартфон или другой аппарат для зарядки.

Гнездо генерирует радиочастотные импульсы, которые принимаются сверхюминиатрным приемником внутри смартфона или иного устройства. Разумеется, эту возможность производитель должен предусмотреть заранее. 

Humavox отдельно подчеркивает, что приемник — не катушка, и их технология ничего общего с индуктивной не имеет. Именно это позволяет сделать все компоненты очень маленькими.

Компания может похвастаться несколькими патентами и красивыми рендерами, но к сожалению, это все что она может предложить за свою шестилетнюю историю. D 2016 году произошло слияние Humavox с австралийской горнодобывающей компанией Aurum, что привлекло дополнительные инвестиции. Поможет ли это реализации идеи, мы скоро увидим. 

5. Солнечная батарея и инфракрасный лазер (long range).

На первый взгляд, это две разные технологии, но на самом деле, у них отличается только источник сигнала.

Солнечные батареи существуют очень давно. Панель из нескольких фотоэлементов-полупроводников, преобразующих солнечную энергию в ток можно использовать для зарядки телефона. В последнее десятилетие появилось много таких аксессуаров для смартфонов. Это и Powerbank на солнечной батарее, и солнечная батарея, встроенная прямо в чехол.  

Энергоэффективность таких устройств невелика, особенно в нашей стране, а удобство сомнительно — для нормальной работы панель должна быть всегда чистой, а сами элементы довольно хрупкие, поэтому их очень сложно уберечь на мобильном устройстве. 

Тем не менее, не стоит сбрасывать фотоэлементы со счетов. Если мы не можем кардинально улучшить фотоэлемент, то давайте сделаем для него более эффективный источник сигнала — так решили в израильской (снова) компании Wi-charge. Их разработка представляет собой инфракрасный следящий лазер, и… чехол с фотоэлементом. Помимо фотоэлемента в чехле имеется система позиционирования, что позволяет лазеру «светить» точно в фотоэлемент, маленькая площадь которого делает возможным его размещение спереди, а не сзади.

Компания уже имеет несколько рабочих прототипов, и приглашает желающих поучаствовать в бета-тестировании.  Сложно прогнозировать будущее этой технологии. Скорее всего, когда все смартфоны станут QI-совместимыми, инфракрасный лазер для них станет бесполезен. Однако, с его помощью можно питать и другие устройства, например, беспроводные колонки можно сделать по-настоящему беспроводными.

Выводы и прогнозы

Вообще-то, все выводы уже сделаны — Apple вошла в консорциум WPC, имеет несколько патентов по индуктивной зарядке, и уже реализовала индуктивную зарядку в часах Apple Watch. Очевидно, к чему всё идет — в новом iPhone будет индуктивно-резонансная зарядка самого нового поколения, совместимая с QI. Может быть, она будет превосходить конкурентов по каким-либо параметрам, например, по максимальному расстоянию работы, но совместимость с QI точно будет реализована, иначе в ней просто не будет смысла. ■

КАК РАБОТАЕТ БЕСПРОВОДНАЯ ЗАРЯДКА

Все чаще говорят о беспроводной зарядке мобильных устройств. Производители выставляют их как большой технологический скачок. Мы решили кратко объяснить как работает беспроводная зарядка смартфона и объяснить стандарт, поддерживающий дистанционную зарядку АКБ. 

Беспроводную зарядку часто называют индуктивной зарядкой. Поэтому необходимо начать с объяснения, что такое вообще явление индукции. Оно имеет дело с несколькими различными областями, но мы сосредоточимся на той, которая служит чтобы восполнить уровень энергии аккумулятора на смартфоне. Это электромагнитная индукция.

Индукция, которая используется для зарядки телефона, основана на явлении открытом Фарадеем - если ток течет через катушку, он генерирует электромагнитное поле вокруг нее. Проще говоря этот принцип работает в обоих направлениях. Оно работает как трансформатор в том, что первичная обмотка находится в зарядном устройстве, а вторичная - в смартфоне.

Что это означает на практике? Если мы поместим катушку в переменное электромагнитное поле, то получим переменное напряжение на ее выводах. Вроде с виду просто, но этот вопрос требует более широкого изучения. 

Беспроводная зарядка на практике

Как следует из названия, речь идет о передаче энергии без использования проводов. Оно использует индукционную технологию (расстояние не более 8 мм) или резонанс (расстояние примерно до 40 мм), то есть энергия передается электромагнитными волнами между двумя катушками или наборами катушек на короткое расстояние. На практике, чтобы зарядить мобильное устройство, подключите зарядное к розетке и поместите устройство в такое место, чтобы катушка ЗУ и устройства были как можно ближе друг к другу. Стоит отметить, что смартфон можно заряжать даже когда он выключен. 

Тем не менее нужно помнить, что для работы беспроводной зарядки зарядное устройство и смартфон должны соответствовать одним и тем же стандартам. Qi, стандарт, который был согласован в 2009 году ведущими производителями мобильных устройств, входящих в консорциум Wireless Power Consortium, широко используется и поныне. С момента своего появления стандарт многократно улучшался, например в оригинальной версии устройство должно было лежать прямо на зарядке, теперь же они могут быть отделены друг от друга на 4 сантиметра и даже можно заряжать несколько устройств одновременно. Сам процесс зарядки также ускорился, батарея может быть заряжена наполовину примерно за 30 минут. 

Только помните, что даже самая быстрая зарядка не будет эффективной, если устройство не будет использовать защиту аккумулятора. Примером является технология адаптивной зарядки Qnovo, которую опишем ниже. 

Как работает быстрая зарядка?

Зарядка аккумулятора смартфона делится на две фазы. Когда уровень заряда батареи очень низкий, постоянный зарядный ток обеспечивается до тех пор, пока напряжение не достигнет приблизительно 4,2 В. Затем зарядка переключается в режим стабилизированного напряжения и ток постепенно уменьшается, пока элемент полностью не зарядится. Этот тип зарядки называется CCCV, то есть сначала током с постоянным значением (CC - постоянный ток), а затем с постоянным значением напряжения (CV - постоянное напряжение) с током самоубывающего значения. Быстрая зарядка относится к режиму CC, потому что именно тогда большая часть энергии закачивается туда. Это также объясняет почему зарядка последних 10 % батареи может занять больше времени, чем первые несколько десятков процентов. 

Ток зарядки и разрядки каждой батареи может быть отмечен символом xC, где «x» - это числовое значение, указывающее соотношение между емкостью батареи и временем ее зарядки или разрядки. 

Например, ток 1C взятый от 100 А/ч батареи означает, что мы заряжаем 100 А, если мы заряжаем батарею с током 2C, это будет означать, что этот ток будет 200 А. 

Если у нас есть батарея емкостью, например, 1000 мА/ч, и будем заряжать ее с током 1C, это означает что заряжаем ее током 1000 мА, а если заряжаем с 0,5C, это будет 500 мА. 

То есть более высокие коэффициенты C ускоряют время зарядки. Как будто они прокачивают больше энергии к батарее на ранней стадии, но за счет общего количества доступных циклов, прежде чем уменьшить максимальную емкость батареи. 

Это уменьшение вызвано износом электродов, которое происходит со временем. Типичное значение C для зарядных устройств для смартфонов составляет от 0,5 до 0,7, поскольку оно обеспечивает хороший баланс между скоростью зарядки и жизнеспособностью. Более высокие значения могут сократить общий предел зарядки, но большинство производителей рекомендуют C ниже 1. Однако технология Qnovo Adaptive Charging допускает скорость до 1,5С, в то же время не менее 800 циклов перед использованием батареи. Обычные литий-ионные аккумуляторы работают в течение 1000 циклов, но только если они подвергаются стандартной зарядке. 

Технология Qnovo Adaptive Charging

Современные смартфоны обычно оснащены несменными батареями (привет Айфон), поэтому пользователи не могут заменить их самостоятельно, что ставит перед изготовителями новую задачу, поскольку используемая батарея должна работать эффективно в течение максимально долгого времени. Решением Qnovo является адаптивная зарядка, которая успешно защищает аккумулятор. 

Как это происходит? Программное обеспечение для зарядки Qnovo работает со стандартными немодифицированными литий-ионными элементами. Оно использует уникальный и запатентованный подход к зарядке смартфонов, измеряя состояние аккумулятора в режиме реального времени и непрерывно регулируя зарядный ток. Оставлять полностью заряженную батарею в течение длительного времени не является для нее очевидным, поэтому устройство заряжается до 90 % (после достижения этого уровня зарядка прерывается), а затем «перезаряжается» до 100 % перед пробуждением, что происходит непосредственно перед началом работы. 

По заявлению Sony, технология Qnovo позволяет увеличить время автономной работы в два раза по сравнению с аккумуляторами других смартфонов. Однако следует иметь в виду, что все используют смартфоны по-разному, поэтому решение Qnovo может помочь в разной степени, но нет никаких сомнений в том, что улучшение производительности батареи должно быть заметным и, безусловно, будет лучше по сравнению с моделями без этой технологии. 

Sony Xperia XZ3 отличается очень долгим временем автономной работы. Японский производитель удивил существующих пользователей смартфонов не только новым флагманским дизайном, но также и используемыми технологиями, которые делают устройство еще более эффективным, и что особенно интересно - это очень долговечный аккумулятор. Технология Qnovo Adaptive Charging, о которой упоминали выше, является одной из причин по которой вам следует присмотреться к этому телефону, но не единственной. Особый режим STAMINA заметно снижает потребление энергии. 

Смартфоны Sony (включая Xperia XZ3) оценивают время автономной работы основываясь на том, как мы обычно используем устройство. Если питание прекращается в течение дня, вам предлагается активировать фитнес-режим (управление энергопотреблением). Чтобы снизить потребление энергии аккумулятора, различные функции ограничены или отключены в зависимости от уровня режима STAMINA. Это может быть производительность рендеринга, анимации, яркость экрана, детализация изображения, фоновая синхронизация приложения или потоковая передача. Также есть режим Ultra STAMINA, который отключает передачу данных в сотовой сети и Wi-Fi, при нём выбор приложения ограничен, а виджеты отключены (кроме часов). Тем не менее, вы все равно можете звонить, принимать звонки или отправлять SMS.

Простое управление процессом зарядки за счет внедрения решений для защиты аккумулятора, увеличения его срока службы, оптимизации производительности и беспроводной зарядки, позволяет производителям продавать более тонкие электронные устройства. В то же время они сохраняют необходимые параметры, поэтому мы можем использовать их каждый день без необходимости постоянного доступа к зарядному устройству. 

Подведение итогов

  • Беспроводная зарядка действительно очень удобна и практична (нет износа или случайного повреждения разъемов, упрощена водонепроницаемость). 
  • При испытаниях беспроводная зарядка заняла в 3 раза больше времени, чем у обычного дешевого кабеля, поэтому, вероятно, ток зарядки был не более 200 мА. 
  • Тем не менее, кабель является кабелем. Быстро, безопасно и без ЭМ-смога. Кроме того, у кабеля есть то преимущество, что вы все равно можете пользоваться телефоном во время зарядки, а не просто стоять и смотреть пока он зарядится. 
  • Также значительная часть энергии уходит на нагрев смартфона, что-то вроде индукционной плиты. Батарея также сильно страдает, потому что в ячейке содержится (кроме самой катушки) значительное количество медной фольги, которая является своеобразной компактной катушкой для переменного электромагнитного поля.

   Форум по беспроводным ЗУ

   Обсудить статью КАК РАБОТАЕТ БЕСПРОВОДНАЯ ЗАРЯДКА


Беспроводная зарядка становится все ближе к промышленной среде

Беспроводная зарядка, часто называемая как беспроводная передача мощности (wireless power transfer WPT), широко используется в портативных и носимых бытовых устройствах, таких как смартфоны, приборы фитнесс-групп, электробритвы, электрические зубные щетки и другие. Тем не менее, беспроводная зарядка имеет отличный потенциал и для применения в промышленности. Промышленное применение включает в себя электрические транспортные средства, беспилотные летательные аппараты, автоматизация производства, портативные терминалы и так далее.

Почему именно беспроводная? Да потому, что промышленное оборудование очень часто работает в суровых условиях, где подвергаются воздействиям пыли, грязи, масла и прочих веществ. При отсутствии разъемов питания, в случае использования беспроводной зарядки, можно не беспокоиться о защищенности разъемов питания от жидкостей, газов, пыли.

Одно из важнейших преимуществ – применение во взрывоопасных средах, так как из-за отсутствия разъемов питания исключается возможность взрыва от искры, которая может возникнуть при подключении или отключении  зарядного устройства.

Стандарты мощных беспроводных сетей

Наиболее популярной беспроводной технологией является технология ближнего поля (near-field charging NFC), при использовании которой катушка-передатчик создает магнитное поле, которое передает индуктивную энергию катушке-приемнику. Часть магнитного потока генерируемого катушкой-передатчиком проникает в катушку-приемник, генерируя таким образом передачу энергии. Условно такую работу можно сравнить с работой трансформатора.

Эффективность передачи зависит от потокосцепления ψ и добротности Q. Тесно связанная система обеспечивают максимальную эффективность передачи энергии, но очень чувствительна к рассогласованию катушек и расстоянию между ними.

Существует два конкурирующих стандарта NFC — Wireless Power Consortium (WPC), управляемый Qi (“Chee”), стандарт, имеющий рабочую частоту от 100 до 200 кГц и AirFuel Alliance, ранее известный как Power Matters Alliance (PMA), поддерживающий AirFuel Inductive и работающий на частотах от 100 до 350 кГц. Обе системы имеют КПД свыше 70%.

Многие производители поддерживают оба стандарта. Например, Samsung поддерживает как Qi, так и AirFuel зарядку в своих смартфонах Galaxy S6 и S7.

Беспроводная зарядка быстро развивается и изменяется. Например, Qi прошел несколько существенных изменений, как показано в таблице ниже:

evolyuciya-populyarnogo-standarta-qi

WPC издал несколько итераций своего популярного стандарта Qi, увеличивая выходную мощность и добавив двунаправленные связи (обнаружения посторонних предметов FOD = foreign object detection).

Главным недостатком беспроводной зарядки является слишком долгое время заряда, по сравнению с проводной. Для решения этой проблемы производители стараются увеличивать мощности. WPC v1.2, представленный в 2015 году, может обеспечить выходную мощность в 15 Вт. Это классифицируется как «средняя мощность», по сравнению с предыдущими версиями «малой мощности» по 5 Вт.

Почему выбирают устройства строго по стандартам? Потому, что выбор по стандарту гарантирует, что источник и приемник электрической энергии будут иметь одинаковую мощность и частоту передачи и легко смогут работать вместе, даже если у каждого из них будет разный производитель.

Некоторые производители могут выбрать для собственных конструкций свои, специфические требования. Но запатентованные разработки имеют не только большую гибкость в работе, но и большие риски, так как OEM несет ответственность за все аспекты конструкции передатчик-приемник, включая сертификацию безопасности.

Архитектура беспроводной зарядки

Независимо от выбранного стандарта индуктивная беспроводная система состоит из двух частей – зарядной станции или подушечки, содержащей схемы станции и первичную катушку, и устройства зарядки, которое содержит вторичную катушку и связанные с ней схемы.

princip-raboty-ili-arxitektura-besprovodnogo-zaryadnogo-ustrojstva

Во время работы передатчик находится в режиме низкого энергопотребления (режим «сна») большую часть времени и периодически «просыпается» для проверки наличия приемника. Если вторичная катушка обнаружена, передатчик запрашивает авторизацию от приемника. После успешной авторизации начинается процесс зарядки. Если вторичная катушка не была обнаружена, передатчик снова переходит в режим «сна». Вторичная сторона сохраняет полный контроль над процессом передачи энергии используя пакеты связи.

Конструкция катушки

Стандарт WPC требует проектировщика для выбора передающей катушки, которая должна отвечать точной спецификации для требуемого входного напряжения – 5 В, 12 В или 19 В. Катушки А5, например, представляют собой 5 В; 6,3 мкГн катушку с 10 витками провода, круглым поперечным сечением и магнитом внутри (рисунок ниже):

katushki-dlya-besprovodnoj-zaryadki

Новые конструкции стремятся к катушкам А11, с очень похожей конструкцией, но без магнита внутри. Решения с несколькими катушками, такими как А6, увеличивает доступную область зарядки, но при этом растет количество расходуемых материалов и стоимость устройства, так как каждой катушке необходим отдельный драйвер.

Катушки передатчиков и приемников, как правило, изготавливают из литцендрата, состоящего из множества изолированных проводов намотанных по определенной схеме, для минимизации скин-эффекта и эффекта близости. Для более мощных устройств катушку устанавливают на листе феррита. Производители передатчиков и приемников часто предоставляют списки рекомендуемых катушек для использования с их продукцией.

Для достижения максимального потокосцепления катушки приемника и передатчика должны иметь одинаковые размеры. Катушка приемника, как правило, гораздо более сложная. Она должна быть очень тонкая и при этом выдерживать вибрации, удары и прочие физические воздействия на устройство. Например, Würth Electronik состоит из пяти слоев:

  • Провод литцендрата;
  • Клейкая лента;
  • Слой PET (polyethylene terephalate) пластика для повышения ударостойкости;
  • Ферритовый лист;
  • Клеящийся слой для крепления к устройству;

WPT соединение

Приемник (вторичная сторона) контролирует количество мощности, передаваемое передатчиком (первичная сторона).  Вторичная сторона обменивается данными с первичной путем изменения нагрузки.

Возможно два варианта. Изменение резистивной нагрузки изменяет амплитуду напряжения передатчика, а емкостное изменение нагрузки приводит к смещению сигнала во времени:

emkostnoe-izmenenie-nagruzki-v-cepi-peredatchik-priemnik-besprovodnoj-zaryadki

Переключение в емкостной нагрузке (а), эффект смещения амплитуды относительно нулевой точки (b).

Стандарт Qi определяет скорость передачи данных в 2 кб/с с бифазным битным кодированием. Разнообразие коммуникационных пакетов определены для функций, таких как идентификация и аутентификация, обнаружение ошибок, контроль, потребление энергии, конец зарядки и эффективность.

Обнаружение посторонних предметов (FOD)

Любой металлический предмет, например ключ или монета, который находится между первичной и вторичной катушками, поглощает часть электромагнитного поля. Это снижает эффективность передачи энергии, а также предмет может нагреваться и создавать угрозу пожаробезопасности.

Индуктивная система WPC обнаруживает посторонний предмет путем сравнения отданной передатчиком мощности с принятой приемником. Если потеря мощности превышает допустимую, передатчик снижает передаваемую мощность или вовсе прекращает передачу и сообщает об ошибке в систему управления.

Так называемые «родственные металлы», такие как металлические части смартфонов, также могут поглощать энергию при передаче. Следуя из этого можно сделать вывод, что для каждого отдельного случая необходимо производить калибровку до внедрения в производство для того, чтобы определить нормальный уровень потери мощности.

FOD требует спецификацию WPC v1.1 или выше.

WPT конструкция: передатчик

На картинке ниже показана подробная блок-схема секции передатчика WPC v1.2:

blok-sxema-sekcii-peredatchika-wpc-v1-2

Сердцем данной конструкции является bq501210 — цифровой контроллер беспроводной мощности, который может обеспечить до 15 Вт для подходящего приемника. Контроллер периодически опрашивает окружающие доступные устройства питания, выполняет FOD, контролирует весь обмен данными с приемником, и регулирует передаваемую мощность на основе полученной обратной связи. Он также управляет обработкой ошибок, связанных с передачей мощности и контролирует индикатор состояния рабочего режима.

bq501210 регулирует передаваемую мощность путем изменения VRAIL (напряжение катушки) при поддержке постоянной частоты 130 кГц. Для достижения этого bq501210 управляет bq500101 двойными NexFET силового каскада с ШИМ выходом Vrail_ШИМ. Отфильтрованный выход постоянного напряжения пропорционален частоте ШИМ и генерирует VRAIL. ШИМ_А и ШИМ_В затем реализуют схему полного моста, состоящего из двух дополнительных bq500101s. Полная конфигурация моста обеспечивает максимальную мощность, подводимую к катушке А5 для заданного напряжения питания.

Для 15 Вт передачи, входное напряжение должно быть в пределах от 15 В до 19 В, который может «выдавать» ток до 2 А. Если система поддерживает High Voltage Dedicated Charging Port (HVDCP) технологию, а входное напряжение в начале меньше 6 В, bq501210 «согласовывает» повышении входного напряжения. Если приемник поддерживает работу в режиме быстрого заряда, bq501210 может проводить согласования в системе для получения большей мощности для более быстрой зарядки.

Для реализации FOD,  WPC 1.2-совместимый bq500100 измеряет ток с помощью шунта в цепи  VRAIL и передает результат в bq510210. Для обеспечения питанием различных элементов схемы используют стабилизатор низкого напряжения (LDO) TLV70450 для 5 В, и понижающий преобразователь TPS54231 для 3,3 В.

WPT конструкция: приемник

Функцией приемника является получение и обработка мощности, выпрямление и регулирование напряжения, а после передача на нагрузку. Ниже показана конструкция приемника на основе bq51025, устройстве, которое обеспечивает однокристальное преобразование энергии, цифровое управление и связь, а также совместимо с WPC v1.1.

konstrukciya-besprovodnogo-priemnika-na-osnove-bq51025

Данная разработка может передавать до 10 Вт при работе с bq501210, опираясь на контроллер первичной схемы (рассматривалось ранее). Для 10 Вт применения данная схема использует протокол компании TI для обеспечения двунаправленной связи, которая не поддерживается WPC v1.1.

bq51025 имеет регулируемое выходное напряжение от 4,5 В до 10 В, а также КПД до 84%. Интерфейс I2C позволяет легко подключать данное устройство к маломощным микроконтроллерам.

Если требуется совместимость с несколькими беспроводными стандартными, то bq51222  предлагает 5 Вт выходной мощности и поддержку протоколов соединения WPC v1.2 и AirFuel.

WPT и промышленность 4.0

Промышленные пользователи уже используют беспроводную зарядку в своих планшетах, терминалах, сканерах управления и прочих устройствах, но промышленность 4.0 представляет еще одну огромную возможность.

В высокоавтоматизированных связанных заводах будущего, автономных транспортных средствах, беспилотных летательных аппаратах постепенно заменяют человеческий труд. Это предоставляет огромнейшие перспективы для беспроводной зарядки, так как автономия включает в себя и процессы заряда батареи. Это, в свою очередь, требует наличия специальных зарядных подушек и матов, к которым транспортные средства могут подъезжать и восстанавливать заряд батареи без вмешательства человека.

Большинство промышленных систем требуют мощностей гораздо больше, чем 15 Вт. Будут ли более мощные системы поддерживать стандарт Qi или AirFuel и их комбинации покажет будущее. Подходы к проектированию беспроводной зарядки, рассмотренные в этой статье, несомненно, будут играть ключевую роль в развитии промышленных беспроводных зарядных систем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *