Что представляет собой технология передачи электричества по воздуху?
На данный момент существует довольно большое количество различных технологий, которые позволяют передавать электричество по воздуху. Для выполнения этой операции может использоваться лазер, звуковая волна, а также многие другие физические явления. Несмотря на такое большое разнообразие способов передачи электричества через воздух, пока существует только одна технология, которая используется в коммерческих целях. Эта технология основывается на исследованиях Теслы и Фарадея, которые работали в направлении передачи электричества по воздуху посредством электромагнитной индукции.
Принцип работы беспроводной зарядки
Именно благодаря усовершенствованию их разработок и идей сегодня может работать беспроводная зарядка для телефона и многие другие приспособления, которые используют в своей работе электричество, передаваемое по воздуху.
Как и в любой другой сфере, в передаче электричества по воздуху существуют свои стандарты. Самым распространённым стандартом этой технологии является стандарт, который уже в течение 7 лет разрабатывается компанией Wireless Power Consortium. Сам стандарт принято называть китайским словом “Qi”, если же попытаться произнести его на английском языке, это будет звучать примерно как “chee”, что касается русского языка, то наиболее правильным вариантом произношения будет “Ци”.
Данный стандарт хорош тем, что его поддержка осуществляется практически всеми современными производителями смартфонов, за исключением редких случаев. Уже сейчас многие аэропорты, рестораны, вокзалы и другие подобные заведения оборудованы специальными зарядными станциями, которые позволяют каждому желающему зарядить свой смартфон. Это больше касается развитых стран, однако, как известно, современные технологии стремительно покоряют весь мир, и поэтому уже скоро такие зарядные станции можно будет встретить даже в самых отдалённых уголках планеты.
Беспроводная зарядка для телефона своими руками
Новая мебель от ИКЕА является ярким примером того, как активно внедряется эта технология. Мебель содержит в себе специальные панели, позволяющие очень быстро заряжать смартфон посредством технологии передачи электричества по воздуху. Приобретение такой мебели может значительно облегчить зарядку телефона для каждого человека. Беспроводная зарядка qi активно шагает по миру, от неё даже не смогла отказаться Apple, которая, как известно, всегда предпочитает находиться в стороне и предлагать своим клиентам только уникальный и ни на что непохожий продукт.
Принцип работы беспроводной зарядки
Как работает беспроводная зарядка? Наверняка этот вопрос интересует многих людей, следует заметить, принцип её работы на первый взгляд довольно прост и понятен. Зарядка по стандарту WPC подразумевает наличие как в самом смартфоне, так и в зарядной станции, специальных индукционных катушек. У каждой из этих катушек есть своя роль: одна из них должна выступать в качестве приёмника, другая же используется в качестве передатчика беспроводного электричества. В том случае, если зарядную станцию подключить к сети, в ней возникнет определённое напряжение, а в радиусе действия катушки, которая занимается передачей электричества, появится магнитное поле. В случае попадания смартфона в образовавшееся таким образом магнитное поле, он получает из него необходимую ему энергию посредством преобразования электромагнитных волн в его катушке-приёмнике в электричество.
Благодаря беспроводной зарядке, нет надобности присоединять специальный кабель к смартфону
Стандарт WPC допускает расстояние между беспроводным зарядным устройством и самим смартофоном не более 3-5 см. Таким образом, можно сказать, следует класть телефон на зарядное устройство, в этом случае КПД такой зарядки будет составлять 75-80%, что немного меньше, чем КПД проводной зарядки. Поэтому, если вам необходима, например, хорошая беспроводная зарядка для айфона, будьте готовы к тому, что вам всегда придётся класть смартфон в специальное место, где он сможет довольно быстро подзарядиться.
Вредна ли для здоровья беспроводная зарядка?
Каждый раз, когда появляется та или иная новая технология, всё большее количество людей интересуется, насколько вредной она является для здоровья. Следует отметить, что вокруг новых технологий ходит огромное количество мифов, даже в наше время существует немало людей, которые верят в то, что мобильные телефоны способны нести огромный вред, а компьютер так и вообще убивает каждый день по 10 человек. На самом деле это мифы, которые не имеют под собой никаких реальных основ. И это можно доказать с точки зрения элементарной логики, так как если бы это было на самом деле так, на нашей планете уже давно бы никто не жил, наверное. А так как людей с каждым днём становится всё больше, и они используют электронику всё чаще в своей повседневной жизни, её вред явно преувеличен.
Однако каждое электронное устройство в той или иной мере влияет на наш организм, это касается и беспроводного зарядного устройства. Давайте попробуем разобраться в том, насколько это влияние может быть сильным.
Беспроводная зарядка никак не повредит вашему здоровью
Следует заметить, что большинство производителей смартфонов говорят о том, что стандарт WPC не несёт никакой опасности для здоровья. Примерно то же самое говорит и сам разработчик стандарта — компания Wireless Power Consortium. К ним активно присоединяются производители зубных электрощёток и электробритв, которые используют схожие принципы подзарядки в своих устройствах.
Такие мнения выглядят весьма убедительными, давайте же попробуем порассуждать на ту тему. Электромагнитные волны, которые активно используются в устройстве беспроводной подзарядки, находятся в спектре неионизирующего излучения. Неионизирующее излучение характеризуется куда более низкой частотой волны, чем, например, опасное рентгеновское излучение. Неионизирующее излучение в целом считается полностью безопасным и используется во многих современных устройствах. Такое излучение используется для передачи сигнала вай-фай, также оно используется для мобильной связи и во многих других случаях. Таким образом, через человека каждый день проходит огромное количество волн данного спектра, даже если он не пользуется электронными устройствами. Более того, через человека они проходили практически всегда, так как Солнце излучает каждый день довольно большое количество именно таких волн.
Именно поэтому чётких доказательств вреда здоровью со стороны WPC найти пока не удалось, да и, как показывает практика, если человек начинает использовать беспроводное зарядное устройство, он не падает в обморок на следующий день, и его здоровье со временем не ухудшается. Поэтому можете смело начинать использовать такие устройства, беспроводная зарядка для айфона 6 никак не повредит вашему здоровью.
Современные устройства, поддерживающие беспроводную зарядку Qi
Как уже говорилось выше, практически все современные смартфоны поддерживают стандарт WPC. Также этот стандарт поддерживают и некоторые другие устройства, если вы хотите знать подробности и конкретику по этому вопросу, то найти список всех устройств, которые поддерживают данный стандарт всегда можно на официальном сайте компании Wireless Power Consortium.
Не стоит забывать: чтобы произвести беспроводную зарядку того или иного устройства, обязательно следует иметь как приёмник энергии (само устройство с поддержкой стандарта WPC), так и передатчик энергии. Большинство современных телефонов уже обладают специальными зарядными модулями, которые и являются приёмниками энергии, поэтому, единственное, что требуется от пользователя такого устройства, это подобрать качественную беспроводную панель, которая и является передатчиком энергии в устройство.
Практически все современные смартфоны поддерживают стандарт WPC
В том случае, если тот или иной телефон или другое носимое устройство не поддерживают стандарт WPC, то с этим можно очень легко справиться. Самым простым решением в этом случае может быть покупка специальной насадки или чехла, которые содержат в себе зарядный модуль. Такой зарядный модуль может быть подключён к любому телефону при помощи обычного зарядочного разъёма. Например, это может быть необходимо в том случае, если вас интересует беспроводная зарядка для iphone или же ещё для какого-нибудь устройства, которое не поддерживает стандарт WPC.
Самые популярные беспроводные зарядки
На данный момент существует довольно большое количество беспроводных зарядных устройств, производящихся различными компаниями. Давайте вкратце посмотрим, какие же зарядные устройства на данный момент пользуются большей популярностью среди владельцев смартфонов и других носимых устройств.
Samsung Wireless Charging Pad
Samsung Wireless Charging Pad заряжает смартфон практически вне зависимости от его положения на самой панели
Одно из последних изобретений компании Самсунг. Эта практически универсальная беспроводная зарядка получила популярность благодаря тому, что заряжает смартфон практически вне зависимости от его положения на самой панели. Следует отметить, что данное устройство способно поддерживать не только стандарт WPC, но и некоторые другие, менее популярные стандарты беспроводной зарядки, например, такие как AW4P и PMA. Таким образом, если даже ваш конкретный телефон не поддерживает стандарт WPC, данное зарядное устройство всё равно способно заряжать его, причём делать это без всяких дополнительных модулей и всего остального.
Данная зарядка является очень хорошим решением в целом ряде случаев, средняя стоимость такого устройства составляет примерно 50 долларов.
Если судить по отзывам на Амазоне, то это самое лучше беспроводное зарядное устройство, которое обладает целым рядом преимуществ и при этом имеет очень низкую цену. Из особенностей данного устройства можно отметить идущий в комплекте USB-провод, который позволяет подключать зарядку к ноутбуку. Средняя стоимость этого зарядного устройства составляет примерно 10-15 долларов. При этом модель отличается очень высокой надёжностью и может служить довольно длительный срок. Смартфоны с беспроводной зарядкой, которые будут использовать данное устройство для подзарядки, будут заряжаться довольно быстро и не испытывать при этом никаких проблем.
PowerBot — самое лучше беспроводное зарядное устройство, которое обладает целым рядом преимуществ и при этом имеет очень низкую цену
iQi Wireless Charging Receiver
Пока что смартфоны и другие устройства фирмы Apple не поддерживают многие беспроводные технологии. Поэтому для того, чтобы беспроводная зарядка для iphone 5s была возможна, необходимо использовать всевозможные дополнительные приспособления, такие как чехлы и различные разъёмы. Одним из самых интересных решений в этом случае может быть карта-приёмник iQi, которую можно спрятать под любым обычным чехлом для смартфона.
Данное решение позволяет в полной мере справиться с проблемой отсутствия поддержки беспроводной зарядки у техники Apple. Стоит такая карта довольно недорого, обычно её цена составляет около 35 долларов, при этом она демонстрируют очень хорошую, долгую и надёжную работу. Поэтому если вы обладатель техники Apple, такая карта может очень пригодиться вам.
Nokia DT-910
Nokia DT-910 позволяет весьма быстро заряжать смартфоны
Данное беспроводное зарядное устройство пользуется немалой популярностью. Оно обладает весьма доступной ценой, при этом позволяет весьма быстро заряжать смартфоны. Помимо всех своих преимуществ беспроводная зарядка nokia, также обладает целым рядом дополнительных функций, которые делает её работу ещё лучше и качественнее. Поэтому данный вариант (с учётом всех его сильных сторон) может быть как никогда кстати в целом ряде случаев.
Использовать или не использовать беспроводное зарядное устройство, решать, конечно же, вам. Некоторые считают, что делать это надо, так как данный тип зарядки смартфона является более удобным, и вообще, за этим — будущее. Такое мнение вполне разумно, так как по всем прогнозам, уже в ближайшее время должны появиться мощные заряжающие беспроводные станции, которые способны заряжать не только смартфон, но и практически все другие устройства в доме, при этом не будет надобности класть то или иное устройство на специальную панель, так как зарядка сама будет заряжать всё в определённом, довольно большом радиусе.
Если такие технологии появятся уже в ближайшее время, то многие современные беспроводные зарядные устройства, такие, например, как беспроводная зарядка note 4, могут очень быстро уйти в прошлое, так как появится куда более универсальное решение.
iQi Wireless Charging Receiver демонстрируют очень хорошую, долгую и надёжную работу
Также следует отметить, что сама технология беспроводного электричества не такая уже и сложная, как может показаться. Именно поэтому многим людям по силам беспроводная зарядка своими руками, так как весьма интересно, сделать самостоятельно что-то подобное. И, как показывает практика, многим людям действительно это удаётся, что позволяет и вовсе не тратиться на покупку беспроводных зарядных устройств, а изготовить всё полностью самостоятельно.
Как работает беспроводная зарядка
Зарядка телефонов, смартфонов и других мобильных устройств беспроводный методом осуществляется с помощью специального устройства, состоящего из:
- зарядной станции (базы);
- кабеля USB/micro USB;
- индукционного приемника (ресивера), который может отдельно идти в комплекте, быть встроенным в чехол или в девайс поддерживающее технологию беспроводной зарядки, к примеру, в смартфон Samsung Galaxy S8.
Т.е. уже существуют смартфоны, в которых предусмотрена данная технология, но конкретно на моделях мы остановимся ниже.
Стоит обратить внимание, что ресиверы для каждой модели смартфона имеют разную форму, размеры и места расположения контактов, поэтому уточняйте перед покупкой, подойдет ли он к вашему смартфону или нет.
Использование идеи беспроводной передачи электроэнергии при помощи электромагнитной индукции токами высокой частоты была предложена еще Теслой в начале XX века, но как мы видим широкое распространение она начала получать только в наше время.
В нашем случае переменное магнитное поле создается зарядной станцией, которая запитывается через USB провод.
Индукционный приемник взаимодействует с этим полем и в катушке, которая в нем вмонтирована формируется разность потенциалов, т.е. электрический ток, который и заряжает устройство.
Получается, что одна катушка является передающей, а вторая принимающей.
Важно понимать, что существует ограничение по расстоянию, на котором технология работает, но про это дальше.
Преимущества и недостатки технологии
Главные преимущества технологии:
- Удобство использования как дома, так и общественных местах;
- Нет необходимости постоянно пользоваться кабелем, что повышает срок службы зарядного гнезда на смартфоне (бывали случаи, когда контакты гнезда от частого использования переламывались);
- Небольшие габариты (зависит от модели);
- Безопасны для здоровья.
Недостатки:
- Дорого по сравнению с проводной зарядкой;
- Отсутствие мобильности – станция должна подключаться к сети (если исключить внешний аккумулятор Power Bank);
- Ниже на 20-25% КПД работы, чем проводные аналоги;
- Малый радиус действия (до 5 — 8 см);
- Большие габариты (зависит от модели);
- Зарядка происходит дольше;
- Индукционный приемник, идущий в комплекте с базой, может не подойти к вашему смартфону (по длине не разместиться под крышкой или при боковом размещении гнезда зарядки);
- Смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки имеют большие размеры по сравнению с обычными аналогами по причине размещения в них приемной катушки;
- Не все чехлы позволяют зарядить смартфон таким методом.
Хочется отметить, что, казалось бы, недостатков у беспроводной зарядки большие, чем преимуществ, но именно удобство использования устройства перекрывает его большинство негативных качеств.
Беспроводная зарядка Samsung
Так как смартфонов Samsung с поддержкой беспроводной зарядки уже выпускается много, и они пользуются заслуженной популярностью, компания начала выпускать соответствующие девайсы.
Подходит для беспроводной зарядки смартфонов Samsung Galaxy S6, Galaxy S6 Edge и Galaxy S7, S7 Edge и других моделей при докупки приемного адаптера.
Имея красивый дизайн, небольшие размеры 97 х 16.8 мм и вес около 90 грамм данная модель легко впишется в дизайн любой комнаты.
Входное и выходное напряжение 5 В, выходной ток 1000 мА, входящий ток 2000 мА, LED-индикация заряда.
Преимущества модели:
- Компактная, легкая модель в красивом стильном дизайне;
- Быстро заряжает смартфон, к примеру, Galaxy S7 Edge с адаптером на 1000 мА заряжает на пол процента за 1 минуту;
- Телефон не соскальзывает во время зарядки;
- Совместим с другими телефонам при условии докупки адаптера для беспроводной зарядки и интегрировании его в корпус под крышку, к примеру, Samsung Galaxy Note 4 или 3.
Недостатки:
- Нет адаптера на 2 Ампера в комплекте;
- Сильно нагревает смартфон Galaxy S6 (из отзывов);
- Не заряжается через металлизированные чехлы;
- Плохо видно светодиод, нужно смотреть только сверху;
- Отключается после полной зарядки. Т.е. если вы поставили на зарядку Samsung Note 5 вечером, то за 3.5 часа он уже зарядится до 100%. Устройство отключиться, а утром телефон уже будет частично разряжен.
Модель EP-NG930BBRGRU.
Разработано для беспроводной зарядки смартфонов Samsung Galaxy S7, S7 Edge, но может быть использовано для других моделей, к примеру, S8 или Motorola X Force (чехол Nillkin Super Frosted Shield).
Имеет встроенный вентилятор, что позволяет не переживать за перегрев смартфона и самого беспроводного зарядного.
Имеет два выходных напряжения на 5 и 9 вольт, входное только 5 В. Вес 167 грамм, размеры 113 х 87 х 84 мм. Выходной ток 1000 А.
С оригинальным блоком питания от S7 Edge заряжает последний до 100 % за 4.5 часа.
Преимущества:
- Эргономичный и красивый девайс;
- Вертикальное расположения площадки позволяет просматривать видео в режиме зарядке;
- Поддержка смартфонов от других производителей;
- Наличие вентилятора, благодаря этому телефон не греется;
- Работает с большинством блоков питания, идущих в комплекте со смартфонами;
- Работает через толстые чехлы (не металлизированные);
- Поддержка microUSB, что для многих важно;
- Не скользит, хорошо стоит на столе;
- Поддерживает обычную и быструю зарядку;
- Поддерживает заряду в оригинальном чехле UAG;
Недостатки:
- Отсутствует блок питания в комплекте;
- Не работает как быстрое беспроводное от QC 2.0/3.0 зарядок;
- Тонкий пластик, который легко повредить при транспортировке;
- Нет возможности отключить синюю лампочку, ночью сильно светит;
- Нельзя корректировать угол наклона;
- Заряжает не через все чехлы (перед покупкой изучите отзывы).
Tray Design Black (EP-PA710TBRGRU).
Еще одна интересная модель от Samsung с возможностью беспроводной зарядки нескольких девайсов.
Может заряжать все устройства (не только смартфоны) поддерживающие стандарт «Qi».
В комплект входит сетевое зарядное устройство EP-TA300 на 25 Вт с кабелем USB Type-c длиной 1.5 метра.
Входное напряжение 12 В, выходное – 5 В. Сила тока на выходе 1000 мА.
Длина 201.8 мм, высота 17.8 мм, ширина 77.94 мм.
Преимущества модели:
- Стильный дизайн;
- Возможность зарядки нескольких устройств;
- Подходит для большинства моделей смартфонов поддерживающих беспроводную зарядку;
- Наличие блока питания в комплекте.
Недостатки:
- Отсутствие microUSB;
- Большие габариты.
Беспроводные зарядки для iPhone
Модель EFIR.
Совместима с iPhone 5 / 5s / 5c / 6 / 6 plus / 6s / 6s plus / SE / 7 / 7 plus при вставлении приемного ресивера под чехол (идет в комплекте).
Эффективное расстояние заряда от базы до смартфона 8 мм. Входящий ток 2 А, 5 Вольт.
Исходящий ток 1 А, 5 Вольт. Циклов заряда – 5000.
В комплекте идет приемный ресивер, блок питания, кабель micro USB – 9 см, USB-адаптер на 2 А.
Размеры – 10 см х 1 см.
Преимущества модели:
- Подходит для всех моделей iPhone выше пятой модели (при установке ресивера);
- Красивый и стильный дизайн;
- Компактные размеры;
- Легкий;
- При разряде iPhone не менее 40% скорость зарядки не отличается от проводной;
- Наличие в комплекте блока питания;
- Поддержка других телефонов если они имеют приемник беспроводного заряда, и поддерживают входящий ток 5V/1.0A, к примеру, Microsoft Lumia 950XL.
Недостатки:
- При разряде iPhone менее 40% скорость зарядки ниже на 10 – 15 минут от проводной;
- Есть жалобы на качество материалов (пластика и контактов);
- Ресивер имеет большие размеры, подходит не для всех чехлов, многие из них его не скрывают. Поэтому для использования устройства нужен толстый чехол, что для многих не удобно;
- Наличие чехла обязательна;
- По отзывам сильно греет iPhone SE;
- После установки ресивера (он подключается один раз и не снимается) остается возможность заряжать мобильный телефон только с диска, что для многих не удобно.
Беспроводные зарядки LUNA
Данное беспроводное зарядное можно назвать универсальным, оно подходит для большинства моделей смартфонов (iPhone и Android).
Так как толщина ресивера, идущего в комплекте, всего 0.6 мм его легко можно разместить под чехол, а если есть возможность, то и под крышку мобильника.
Не поддерживает чехлы со встроенными магнитами. Имеет встроенный LED индикация заряда.
Вес — 60 грамм, размеры — 76 мм на 76.6 мм. Расстояние эффективного заряда 8 мм.
Входящий ток 2 А и 5 В, исходящий 1.5 А/5 В.
Преимущества:
- Подходит для большинства современных мобильных телефонов, к примеру, LG G6 (необходим приемник для данного телефона), Meizu Pro 6 (нужен приемник под Type C), Xiaomi Redmi 4a (подходит стандартный приемник), Samsung GALAXY A5, Xiaomi Mi5 (Type C);
- Под каждый телефон производитель поставляет в комплекте приемник с нужным типом подключения (нужно обговаривать этот момент при покупке);
- Красивый дизайн;
- Небольшие размеры;
- Толщина приемника 0.6 мм.
Недостатки:
- Отсутствует блок питания;
- Стандартный приемник не подходит для многих телефонов, нужно уточнять у производителя и заказывать вместо стандартного.
Как сделать своими руками
Полностью описывать цикл создания собственного варианта беспроводной зарядки нет смысла, для этого нужно писать отдельную статью, что мы и сделаем позже.
Для того чтобы сделать беспроводный аналог своими руками понадобится:
- Кусочек макетной платы (будет играть роль коробки, на которой будет монтироваться база-генератор;
- Пленочный конденсатор емкостью от 0.33 до 1 мФ, от 250 до 400 В. Идеальный на 0.47 мФ;
- Два диода UF4007 – ультрабыстрый с током 1 А, обратное напряжение 1000 вольт. Нельзя использовать диоды с индексом IF.
- Два резистора с номиналом 0.25 – 1 Вт и сопротивлением от 240 до 510 Ом;
- Два полевых высоковольтных транзистора, рекомендовано 20N50 (500 вольт, 20 ампер) или более доступные аналоги — ирф740, ирф840.
- Дроссель (подойдет готовый от компьютерного блока питания).
Принципиальная схема показана ниже.
Задача приемного уза – выпрямить ток с помощью диода (UF4007), сгладить его, стабилизировать до уровня 5 вольт и подать на разъем для зарядки. Здесь используем конденсатор от 47 до 100 мФ при рабочем напряжении 25 вольт.
Сам приемный контур состоит из 10 витков, толщина провода 0.75 мм.
Передающий контур имеет две полуобмотки, которые соединены со средней точкой, от которой провод идет через дроссель к плюсу питания.
К плюсу питания также подключаются ограничительные резисторы, которые идут к базам транзисторов.
Диоды UF4007 подключены к базе одного транзистора и идут к коллектору противоположного транзистора. Тоже самое со вторым диодом.
Ключи нужно использовать полевые, биполярные в нашем случае не подойдут.
Эмиттер подключаем к минусу питания, а коллектор идет к концам обмотки.
Доработанная схема показана ниже.
Дальше начинаем спаивать наши детали. Для этого берем припой со встроенной канифолью.
Полный процесс изготовления беспроводной зарядки смотрите на видео.
Как работает и какую выбрать беспроводную зарядку для смартфона
Мир избавляется от проводов повсеместно. Стационарную проводную связь похоронили мобильные устройства, для передачи данных активно внедряются новые стандарты сотовой связи и Wi-Fi, транслировать звук можно через Bluetooth, а компьютерные мышки и кабели лишаются проводов, заменяя их на миниатюрные радиомодули. Пора бы уже оставить в прошлом неудобные соединения с помощью проводов, вот только одна проблема не позволяет сделать это. Для того, чтобы электронные устройства работали, им требуется энергия извне. Как раз этот вопрос и призвана решить беспроводная зарядка.
Первыми коммерческими электронными устройствами, питаемыми без проводов, стали мышки для ПК. Они начали появляться в начале прошлого десятилетия, но так и не вытеснили традиционные варианты, уступив более удобным манипуляторам с радиопередатчиком. А корнями исследования уходят еще в середину 19 – начало 20 века, когда Майкл Фарадей и Никола Тесла экспериментировали с беспроводной передачей электроэнергии.
Чтобы понять, как работает беспроводная зарядка для телефона, стоит вспомнить основы из курса школьной физики. Наиболее перспективной и реализуемой на практике оказалась передача методом электромагнитной индукции (ЭМИ). В ее основе лежат явления электромагнетизма: когда через проводник протекает ток, вокруг него (проводника) образуется электромагнитное поле. Если в него попадает другой проводник, то он подвергается воздействию этого поля и в нем тоже возникает ток. Правильная конфигурация (с использованием катушек индуктивности) позволяет сосредоточить относительно мощное электромагнитное излучение на малой площади.
Беспроводная зарядка, как правило, представляет собой док-станцию, подключаемую в USB-порт или розетку, к обычной зарядке. В ней внутри находятся многовитковая катушка, преобразователь питания и управляющая электроника. Совместимые смартфоны, в свою очередь, имеют внутри такую же катушку, только намотанную из более тонкой проволоки. Если расположить смартфон на площадке док-станции – катушки начинают взаимодействовать, а энергия в виде электромагнитного излучения передается от подставки к смартфону. От приемника ток передается на контакты аккумулятора, пополняя его заряд.
Читайте также: Как раздать интернет со смартфона: по Wi-Fi, по Bluetooth, по USB
Стандарты беспроводных зарядок
Чтобы правильно выбрать док-станцию, недостаточно знать, как работает беспроводная зарядка для телефона. Нужно также учитывать, что существуют разные стандарты, используемые производителями. Первые смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки появились еще в 2008 году. Пионером в отрасли стала компания Palm (интересно, помнит ли еще кто-то такую?). Но ее разработки как-то не получили должного распространения. В дальнейшем на рынке сформировалось два консорциума, занятых совершенствованием технологий беспроводной передачи энергии. WPC (Wireless Power Consortium), созданный в 2008, занимается продвижением стандарта Qi («Ци» — энергия, термин из китайской философии). Именно он получил максимальное распространение.
Конкурирующей организацией является PMA (Power Matters Alliance), развивающая альтернативу. Как ни странно, но в ее состав входят многие компании, также поддерживающие Qi. Поэтому многие смартфоны могут, помимо Qi, поддерживать и стандарт PMA. Среди таких устройств можно выделить флагманы Samsung Galaxy S5 (не все версии), S6 и S6 Edge, Galaxy S7 и S7 Edge. Хотя это – далеко не полный перечень совместимых с обоими стандартами смартфонов.
Со стандартом Qi совместимо большее количество девайсов. Среди них – не только флагманы Samsung, но также топовые Nokia и Microsoft Lumia, Motorola, Sharp, Google Nexus, LG, Fujitsu и другие. Чтобы узнать, какой стандарт поддерживается вашим смартфоном, рекомендуется ознакомиться с техническими характеристиками в инструкции или на сайте производителя. Нужно, чтобы и док-станция для беспроводной зарядки, и телефон, соответствовали одной технологии (Qi или PMA).
Плюсы и минусы беспроводной зарядки для смартфона
Как работает беспроводная зарядка для телефона – мы разобрались, в чем заключаются основные нюансы и тонкости подбора – тоже. Осталось определить, стоит ли покупать такой гаджет, или он себя не оправдает. Для этого нужно ознакомиться с плюсами и минусами, чтобы решить для себя, покупать или нет зарядку Qi.
Плюсы
- Защита для интерфейсного разъема смартфона. В процессе зарядки исключается риск повредить гнездо, случайно дернув за кабель. Разъем подвергается меньшему износу, так как используется реже.
- Возможность зарядить смартфон, не имея ЗУ. Многие заведения в мире, такие как McDonalds или StarBucks, оснащают столики док-станциями Qi. Благодаря этому можно перекусить или попить кофе, одновременно подзаряжая телефон. IKEA также продвигает такие зарядки, встраиваемые в бытовую мебель.
- Всегда заряженный аккумулятор дома. Беспроводная зарядка позволяет вовремя подзаряжать смартфон, просто положив его на площадку док-станции. Если телефон используется редко, а ЗУ Qi всегда под рукой – можно не беспокоиться о том, что батарея сядет в неподходящий момент. Продуманный контроллер прекращает подачу тока на батарею по достижении 100 %, поэтому перезаряда бояться не стоит.
- Безопасность. Как бы не противились скептики индукционных технологий и не заявляли о вреде невидимой «радиации» (откуда только ей взяться в электромагнитной катушке?), беспроводные зарядки безопаснее проводных. Риск получить удар током от кабеля сетевого ЗУ мизерен, но в случае с Qi он еще ниже, так как работают док-станции обычно от 5 вольт. Что же касается индукции – на таких мощностях она абсолютно безвредна для человека. В ходе проведения МРТ организм подвергают воздействию в тысячи раз большего электромагнитного излучения.
Минусы
- Потеря мобильности. Электромагнитное излучение док-станции достаточно слабое и эффективно лишь на малом расстоянии. Чтобы телефон быстро зарядился – нужно положить его ровно на подставку. Пользоваться устройством в процессе зарядки проблематично, если не невозможно.
- Низкая скорость зарядки. Выходная мощность беспроводной зарядки для смартфона редко превышает 1 А. Это значит, что батарея, емкостью 3000 мАч, в идеальных условиях будет заряжаться около 3 часов. А если положить смартфон неровно – время может резко увеличиться.
- Ограниченная совместимость. В общей массе относительно мало смартфонов поддерживают стандарт Qi или PMA. Далеко не для всех существуют совместимые приемники или чехлы, позволяющие заряжать девайс без кабелей.
- Большие размеры катушек. Проблема совместимости устройств в значительной степени обусловлена относительно большими размерами индукционных катушек. Если стремиться сохранить их малую толщину – извлечь большую мощность тока (свыше 1 А) не получится. Увеличение размеров неминуемо приведет к утолщению смартфона. В гонке за каждым миллиметром производители не всегда могут это позволить.
Что делать, если смартфон не поддерживает беспроводную зарядку
Отсутствие поддержки беспроводной зарядки вовсе не ставит крест на возможности зарядить телефон без кабеля. Сторонние производители разработали специальные аксессуары, предназначенные для этой цели. Они делятся на две категории.
Пластины
Ресиверы-пластины для беспроводной зарядки представляют собой тонкую пластиковую карточку, внутри которой расположена катушка индуктивности. С помощью тонкого контактного шлейфа она подключается к служебным контактам или аккумулятору и аккуратно укладывается под крышку. Малая толщина позволяет свободно поместиться в узкий зазор. Такие пластины-приемники практически не утяжеляют смартфон и не влияют на его внешний вид. Существенным ограничением является только совместимость с узким кругом моделей со съемной крышкой. В противном случае придется разбирать устройство и колдовать с паяльником.
Чехлы
Владельцы смартфонов iPhone тоже хотят попробовать беспроводную зарядку. Но яблочные смартфоны никогда не имели съемной крышки. Батарея у них запрятана глубоко внутри, места там мало и просто так к ней не пробраться. Выходом из ситуации становятся специальные чехлы. В их задней части внутри расположена такая же пластина, только контакты от нее подводятся не к батарее, а в разъем Lightning. Для этого в нижней части чехла установлен соответствующий штекер. Минусами подобного решения являются увеличение размеров смартфона, а также не самая низкая цена на красивые чехлы с беспроводной зарядкой Qi.
Компромиссным решением является пластина Qi, подключаемая к разъему Lightning, но лишенная своего корпуса. Благодаря малой толщине ее можно положить под любой чехол, не ограничивая себя в выборе. Для смартфонов на Android, корпус которых неразборный, также есть аналоги с разъемом MicroUSB или USB Type C.
Стандарты беспроводной зарядки
Facebook Twitter Вконтакте Google+
В последние годы все большее распространение получают беспроводные зарядки, поэтому предлагаю сегодня поговорить о стандартах беспроводной зарядки, принципах их функционирования и перспективах этих устройств.
Любая беспроводная зарядка подразумевает отсутствие не только проводов, но и других коннекторов. Как и любая инновация, беспроводная передача энергии развивается слишком медленно из-за того, что подавляющее большинство людей о ней просто не знают, а IT-гиганты не спешат тратить деньги на внедрение (приходится покупать новые сертифицированные комплектующие, изменять расположение компонентов внутри корпуса, пересматривать производственный процесс) новинки, которая массовому покупателю и не особо-то нужна. Однако медленно, но уверенно беспроводные зарядки приходят в нашу жизнь: взять хотя бы производителей автомобилей и мебели, в последние годы размещающих зарядные площадки даже в не самых дорогих продуктах. А вот в общественных местах количество станций не радует изобилием, особенно на фоне тех оптимистичных прогнозов, которые высказывались на заре становления данной технологии.
Как это работает?
Впервые передачу электроэнергии продемонстрировал в 1893 году гениальный сербский ученый Никола Тесла, опередивший свое время на пару веков. Основой каждой беспроводной зарядки является принцип электромагнитной индукции, который вкратце можно объяснить следующим образом:
Внутри зарядного устройства находится пластина-передатчик, на которую подается электрический ток. При прохождении тока по этой катушке образуются колебания небольшого электромагнитного поля, создающие ток в устройстве с катушкой-получателем.
Начнем с самого распространенного стандарта, разработанного организацией WPC (Wireless Power Consortium). Qi поддерживают смартфоны Huawei, Samsung, LG, Apple, Sony, Nokia и других производителей. Преимущество этого стандарта заключается как раз в его популярности, если в обозримом будущем и будет какая-то стандартизация беспроводных зарядок, то она будет основываться на Qi. Без недостатков, естественно, тоже не обошлось: это небольшая зона действия (максимум – 40 мм) и далеко не самая высокая скорость передачи.
Эту технологию можно назвать вторым по распространенности стандартом беспроводной зарядки, хоть и количество совместимых с ним устройств в разы меньше. PMA в основном распространен в Америке, где его активно продвигают крупные компании, в том числе и к мобильной индустрии никак не относящиеся. Главное различие между Qi и PMA заключается в разных частотах – Qi использует 100-205 кГц, а PMA работает на 277-357 кГц.
Наименее востребованный стандарт, разработанный командой Alliance for Wireless Power (ныне AirFuel Alliance). Несмотря на малую распространенность, создатели позиционируют Rezence как следующий этап эволюции беспроводных зарядок, поскольку он может отправлять энергию на гораздо большее расстояние, причем мебель, книги, посуда и другие подобные объекты не помешают передаче заряда. Кроме того, Rezence способен заряжать сразу несколько гаджетов с максимальной мощностью до 50 Вт, чего хватит даже для зарядки ноутбука.
В основе технологии лежит эффект магнитного резонанса, что и позволяет достичь столь мощного сигнала и существенно расширить площадь его передачи. Впрочем, несмотря на такие заманчивые показатели, этот стандарт практически никому не известен и нет ни одного коммерческого устройства с его поддержкой, хотя развитием Rezence интересуются такие компании, как HTC, Intel, Qualcomm, LG и другие.
Перспективы
На данный момент у всех продающихся беспроводных зарядок дальность действия не превышает 4-5 см. Но не все так печально, есть и весьма многообещающие разработки, которые должны увеличить радиус передачи энергии до нескольких метров:
Полное название этой технологии звучит как Dipole Coil Resonant System, работает она на расстоянии до 5 метров. В ходе испытаний удалось обеспечить энергией FullHD-телевизор с тех же пяти метров, но из-за больших потерь для 40-ваттного телевизора нужно будет потратить 400 Вт из первоначального источника электричества.
Задумка состоит в двух катушках, резонирующих между собой. Попадая на одну из них, переменный ток передается другой. WiTiCity создали в знаменитом MIT. Другие технические детали запатентованы и держатся в строжайшем секрете, на практике получилось добиться передачи энергии на 2 метра из теоретически возможных семи. Разработчики стремятся к тому, чтобы создать беспроводные зарядные станции для электромобилей и даже полностью убрать из наших городов ненужную устаревшую проводную инфраструктуру. В развитие нового стандарта уже вкладываются Toyota, OSRAM, Delphi, Audi, Intel.
В другом американском высшем учебном заведении, Вашингтонском университете, нашли способ передачи энергии через Wi-Fi сигнал, немного модифицировав обычный роутер Asus. Полученной таким образом энергии было достаточно для работы камеры видеонаблюдения и полной зарядки фитнес-браслета Jawbone Up24.
Выводы
За свою относительно недолгую, но бурную жизнь технологическая индустрия породила миллиарды километров разнообразнейших проводов и кабелей. Все эти километры относятся ко вчерашнему дню, сегодня же надо избавляться от этого наследия времен начала цифровой эпохи. Мне кажется, что передачу энергии «по воздуху» надо было начинать развивать вместе с началом внедрения беспроводной передачи информации – то есть 15-20 лет назад.
Но зато сейчас мы видим хотя бы какое-то движение в этом направлении, а значит, недалек тот день, когда мы перестанем мучиться с ворохом проводов в наших домах и беспокоиться о том, доживет ли смартфон до вечера и где в случае чего его можно будет зарядить.
Современные технологии становятся незаменимыми в нашей жизни. Каждый год появляются интересные новинки, которые заслуживают внимания. Большим спросом пользуются беспроводные зарядки — аксессуары, применяющие электромагнитную индукцию.
В статье будут рассмотрены лучшие беспроводные зарядки, подходящие для смартфонов. Отдельный раздел — автомобильные устройства. Читатель сможет найти информацию о внешних АКБ с зарядкой без проводов. Часть обзора посвящена современным устройствам, предназначенным для зарядки часов.
Разные модели используют магнитный резонанс, магнитную индукцию. Пользователь просто размещает гаджет на специальной поверхности, ожидает завершения процесса зарядки. Нет необходимости подключать кабель к прибору.
Аксессуары, созданные по технологии WPC, имеют индикационные катушки. Такие же катушки должны быть в смартфоне (часах или других гаджетах). Одна катушка выступает приемником, другая — передатчиком электричества. Когда в магнитное поле попадает смартфон, его аккумулятор начинает заряжаться.
По стандарту Qi передача энергии возможна в том случае, когда расстояние между двумя устройствами не превышает 5 см. Большинство современных индукционных зарядок — небольшие панели, на которых заряжаются смартфоны.
Индукционные устройства не могут функционировать без проводов. Смартфоны, планшеты или умные часы не подключают к зарядке. Само устройство необходимо подключать к USB, адаптеру питания. Выполняется это действие с использованием кабеля.
Виды беспроводных зарядок
Такие устройства имеют несколько форм-факторов. Современные модели бывают:
- настольными;
- автомобильными;
- в виде подставки;
- встраиваемыми;
- павербанки qi.
Настольные предметы — стандартные станции в виде компактных подставок. Они занимают мало места, подходят для зарядки смартфонов.
Второй вид аксессуаров специально создан для применения в автомобиле. Модели могут дополняться кронштейнами, держателями, адаптерами в прикуриватель, другими элементами.
Зарядки-подставки не только «питают» батарею девайса. Такие устройства выполняют функцию подставки. Во время зарядки смартфон или планшет находится под удобным углом, что позволяет пользователю просматривать видео, почту.
Встраиваемые модели имеют специальный дизайн, могут монтироваться в тумбы, столы, шкафы, барные стойки. Портативные устройства этого типа защищены от пыли, влаги.
Для смартфонов
Перед покупкой портативной зарядки необходимо убедиться в том, что смартфон поддерживает такое решение. Беспроводные модели представлены широким ассортиментом, разными ценовыми категориями. Предметы выглядят элегантно, поэтому хорошо вписываются в интерьер комнат, офисов и кабинетов.
Устанавливать аппараты на док-станцию можно в горизонтальном (вертикальном) положении. Пользователь имеет возможность смотреть мультимедийные файлы, входящие уведомления и другую информацию.
Быстрые зарядки для гаджетов Samsung — это настоящее открытие. Устройства отличаются мощностью работы, заряжают смартфоны и планшеты бренда Samsung с разной скоростью. Есть варианты со светодиодной индикацией, которая сигнализирует о подключении смартфона, отображает уровень «жизни» батареи.
Оригинальная беспроводная зарядка Samsung имеет складную конструкцию. Корпус устройства выполнен из пластика. Подходит адаптер для смартфонов серии Galaxy S.
Устройство Mi Wireless Charger — универсальный вариант для товаров xiaomi. В док-станции использован стандарт Qi, ее можно использовать для смартфонов других брендов. Сплав алюминия с анодированием — основа корпуса этой портативной модели.
Производитель утверждает, что зарядка осуществляется даже при расстоянии 4 мм до смартфона. Можно наполнять энергией батареи аппаратов, заключенных в защитные чехлы.
Беспроводные зарядные устройства подходят для новых iPhone, более старых «яблочных» версий. Можно приобрести зарядку для айфона 8 или 8 Plus, модели XS, других аппаратов с NFC-модулем. Для техники Apple подходят док-станции, площадки-таблетки.
Оригинальная беспроводная зарядка — AirPower, но ее нет в продаже. Ходят слухи, что устройство работает нестабильно, перегревается. На официальном сайте Apple нет информации о таком аксессуаре.
Автомобильная беспроводная зарядка
Устройства можно устанавливать в автомобиле, что позволяет заряжать гаджеты во время езды. Разные модели устанавливаются на ветровое стекло, торпеду или воздуховоды печки (кондиционера). Смартфон фиксируется зажимами, а сам адаптер можно использовать в горизонтальном режиме.
Подзарядка гаджета начинается автоматически после его подключения к зарядке. Высококачественные электронные компоненты обеспечат защиту, оптимальную эффективность заряда. Подходят автомобильные модели для девайсов разных брендов.
Внешний аккумулятор с беспроводной зарядкой
Беспроводной внешний аккумулятор станет помощником при поездках, деловых встречах, отдыхе. В таких устройствах может быть 2 USB-выхода, что позволяет подзаряжать 2 гаджета. При использовании внешнего аккумулятора не нужно применять переходники.
Устройства этого типа дополнены встроенной индукционной катушкой, что обеспечивает стабильную подзарядку. Есть модели с дисплеем, встроенной защитой от перегрузок.
Беспроводные внешние аккумуляторы характеризуются увеличенной емкостью, дополнительными возможностями Qi зарядки, небольшими размерами. Устройства свободно помещаются в кармане, дамской сумочке. Минимальный вес позволяет брать внешние аккумуляторы в путешествия, на природу.
Некоторые модели имеют функциональную подставку, выдвигаемую на 2-3 уровня. Если смартфон устанавливается под углом, то можно просматривать фильмы, книги. В таком случае беспроводная зарядка на внешнем аккумуляторе не будет доступной.
Беспроводная зарядка для часов
Смарт-часы необходимо установить на специальную подставку, включить зарядку. Заряжаются наручные аксессуары по индукционной технологии. С использованием компактной выдвижной платформы нагрузки на разъемы «умных» часов будут минимальными, что значительно продлевает их срок службы.
Беспроводные подставки полностью заряжают «умные» часы за короткое время. Точное время зависит от толщины корпуса, модели смарт-часов. На зарядку до 100% уходит 1-2 часа.
Технология беспроводной зарядки: принцип действия, стандарты, производители
В
ведение
Портативное электронное устройство, в описании характеристик которого нет таких прилагательных как мобильное и беспроводное, едва ли заинтересует современного потребителя. Новомодный гаджет уже невозможно представить без набора беспроводных интерфейсов. Благодаря им осуществляется подсоединение к каналам широкополосной связи (GSM/GPRS-сетям, домашним и/или офисным локальным сетям типа Wi-Fi и т.д.), а также периферийным устройствам (Bluetooth-гарнитурам, акустическим системам, внешним накопителям и т.д.) или другим мобильным гаджетам и компьютерам. И только наличие кабеля для зарядки аккумулятора пока еще не позволяет называть ультрасовременные смартфоны, планшетные компьютеры и мобильные телефоны полностью беспроводными (см. рис. 1).
Рис. 1. Традиционные проводные зарядные устройства
Один из способов решения проблемы – внедрение технологии беспроводной передачи электроэнергии для зарядки аккумуляторов. Гиганты мировой электронной индустрии прилагают немало усилий для разработки такой технологии и внедрения на рынок коммерчески привлекательных беспроводных зарядных устройств. Вместе с тем остается риторический вопрос: можно ли считать мобильное устройство в полной мере беспроводным, если для его подзарядки необходимо все же подключать кабель, пусть даже не к суперсовременному гаджету, а к устройству зарядки, учитывая, что расстояние между ними не более 10…40 мм? Кроме того, при подключении к обычной проводной зарядке мобильного телефона остается возможность его использования, по крайней мере, на расстоянии, ограниченном длиной кабеля. В случае применения беспроводной зарядки мобильный телефон размещается непосредственно на поверхности передатчика зарядного устройства.
Однако сфера применения беспроводных устройств не ограничивается только зарядкой аккумуляторов мобильных телефонов. Технологию беспроводной передачи энергии можно использовать в медицине, для зарядки аккумуляторов автотранспортных средств или в качестве источника электроэнергии для светодиодных светильников, а также в других приложениях.
В последние годы ряд ведущих компаний (Qualcomm Incorporated, Intel, Integrated Device Technology, Linear Technology Corporation, NXP, Powercast Corporation, PowerbyProxy, Samsung, Texas Instruments, WiTricity и т.д.), а также международные отраслевые консорциумы Wireless Power Consortium (WPC), Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP) активно занимаются разработкой спецификаций и изготовлением интегральных схем (ИС) и оборудования для беспроводных зарядных устройств.
Принцип действия
Существует несколько известных из курса физики беспроводных (бесконтактных) способов передачи энергии. Однако наибольшее распространение в электротехнике получили решения с использованием беспроводной передачи электроэнергии на основе явления электромагнитной индукции.
Рис. 2. Ближняя и дальняя зоны
Как известно, область распространения электромагнитного поля разделяется на две основные зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Ближняя зона (зона индукции или реактивная) ограничивается расстоянием, равным λ/2π, где λ – длина волны (см. рис. 2). Зона индукции постепенно переходит в зону излучения (волновую), и ярко выраженной границы между ними не существует. На границах ближней и дальней зон различают переходную промежуточную зону. При частотах 10, 1 и 0,1 МГц протяженность ближней зоны составляет примерно 4,7; 47 и 477 м.
Рис. 3. Иллюстрация принципа действия беспроводных зарядных устройств
В системах беспроводной зарядки для передачи энергии от источника (передатчика) к приемнику используется явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. На сайтах консорциумов WPC, PMA и A4WP можно найти информацию о принципе действия систем передачи энергии без проводов. Система состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью (см. рис. 3). Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и для питания устройства. По мере удаления вторичной катушки от первичной все большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь становится неэффективной.
Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек приведена на рисунке 4. Взаимная индуктивность М определяется из известного соотношения:
где k – коэффициент связи между катушками, зависящий от многих факторов, в т.ч. – от расстояния между катушками (z), соотношения диаметров катушек, смещения между их центрами, от формы катушек и т.д. На рисунке 5 приведены значения коэффициента связи (k) при расстоянии между катушками 0,2; 2,5; 5; 7,5 и 10 мм, а также представлены графики зависимости коэффициента связи от величины смещения (для катушек диаметром 30 мм).
Резонансные контуры с индуктивной связью, применяемые в системах беспроводной зарядки, уже на протяжении десятков лет успешно используются в разнообразных радиотехнических устройствах, а их теория давно и хорошо известна.
Из анализа эквивалентной схемы на частоте резонанса эффективность системы (η), определяемая как
η = PL/P1 (где PL – мощность на нагрузке RL, P1 – на резисторе потерь R1), будет наибольшей при оптимальном значении сопротивления нагрузки, которое равно:
где ω0 – резонансная частота, М – взаимная индуктивность, R1 и R2 – омические сопротивления потерь катушек индуктивности. Соответственно при оптимальном значении сопротивления нагрузки оптимальная эффективность системы на частоте резонанса равна:
где QM – коэффициент качества, или иными словами эффективная добротность системы, определяемая из выражения:
где Q1 и Q2 – добротность резонансных контуров источника и приемника.
График зависимости эффективности системы (η) от коэффициента качества (QM) приведен на рисунке 6. Как следует из приведенного графика, эффективность системы на частоте резонанса представляет собой монотонно возрастающую функцию, асимптотически приближающуюся к единице. Эффективность передачи энергии зависит от коэффициента связи между катушками и их добротности, а для увеличения эффективности беспроводных систем зарядки следует использовать явление резонанса, что позволяет увеличить КПД и дальность передачи энергии. Повысить эффективность индуктивно связанных систем можно за счет увеличения добротности катушек и/или коэффициента связи.
Согласно классификации Ассоциации потребителей электроники CEA (Consumer Electronics Association) технологию беспроводной зарядки предлагается различать в зависимости от величины коэффициента связи. Если значение k близко к единице – это так называемая сильносвязанная система (tightly-coupled), если k < 0,1 – слабосвязанная (loosely-coupled).
В настоящее время разработаны две технологии беспроводной зарядки, использующие явление электромагнитной индукции. Одна из них, в которой используются сильносвязанные катушки, получила название MI (Magnetic Induction – магнитно-индуктивная), другая со слабосвязанными – MR (Magnetic Resonant – магнитно-резонансная). WPC- и PMA-спецификации базируются на использовании технологии MI, в спецификациях альянса A4WP рекомендуется использование – MR. Эти две технологии имеют много общего, однако вместе с тем присутствуют и кардинальные отличия.
Рис. 4. Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек
Рис. 5. Графики зависимости коэффициента связи от смещения катушек
Рис. 6. График зависимости эффективности системы от коэффициента качества
В каждой из них для беспроводной передачи энергии используется магнитное поле и применяются резонансные контуры (см. рис. 7). Магнитный поток, создаваемый источником и пронизывающий вторичную катушку, зависит от конфигурации магнитного поля, которую можно трансформировать как благодаря изменению геометрических размеров катушек и их взаимному расположению, так и за счет применения соответствующего магнитного экранирования. Плотность потока зависит от магнитной проницаемости экранов. Стоимость и толщина экранов являются ключевыми факторами при их выборе. От взаимной ориентации передающей и принимающей катушек, а также от расстояния между ними зависит эффективность системы передачи энергии. Чем больше расстояние между катушками, тем менее эффективна система. Кроме того, эффективность зависит от резонансной частоты, относительных размеров передающей и принимающей катушек, коэффициента связи, сопротивления обмоток, наличия скин-эффекта, паразитных связей и ряда других факторов. Смещение по координатам X,Y, Z, а также наличие угла наклона между катушками приводит к существенному росту потерь и соответственно – к снижению эффективности передачи энергии.
Рис. 7. Структура беспроводных устройств зарядки
В WPC-спецификациях приведены определенные требования к позиционированию приемной катушки относительно передающей. Однако, чтобы получить максимальный коэффициент связи между двумя катушками в реальной системе может потребоваться дополнительная регулировка их взаимного расположения.
В случае применения MR-технологии нет необходимости в строгом позиционировании катушек, а также имеется возможность использовать один источник для одновременной зарядки нескольких устройств, что, несомненно, более привлекательно для пользователей. Однако в этом случае следует учитывать влияние расстояния между «связанными устройствами» на эффективность системы.
В зависимости от требований (не в последнюю очередь это стоимость и размер катушек), в системах, созданных на базе этих технологий, могут применяться одна или несколько катушек. В рекомендациях WPC- и PMA-спецификаций, основанных на технологии MI, резонансная частота выбирается с учетом сопротивления нагрузки и может изменяться в достаточно широком диапазоне. В связи с этим эффективная добротность системы относительно низкая по сравнению с решениями на базе технологии МR. Оптимальная эффективность системы может быть достигнута только на определенной резонансной частоте и при оптимальном сопротивлении нагрузки. В случае использования МR-технологии (т.к. энергия передается на строго определенной резонансной частоте) добротность системы выше, однако требуется очень точное согласование резонансных частот. При использовании обеих технологий изменение параметров в процессе работы должно строго контролироваться, т.к. они оказывают непосредственное влияние на эффективность передачи энергии.
В спецификациях WPC 1.1 оговаривается, что резонансная частота может быть выбрана в диапазоне 100…205 кГц, в спецификациях PMA – 277…357 кГц. При этом в существующих системах беспроводной зарядки типичное значение добротности составляет 30…50. В решениях, реализованных в соответствии со спецификациями A4WP (т.к. частота строго фиксирована) значение резонансной частоты и импеданса между приемником и передатчиком должны быть строго согласованы. Обычно в MR-системах требуется обеспечить более высокие значения добротности (50…100 и более) в сравнении с MI-системами (см. рис. 8).
Рис. 8. Добротность разных систем
КПД системы является важнейшим фактором для устройств беспроводной передачи энергии. Независимо от значения КПД почти всегда можно обеспечить передачу заданного уровня мощности. Однако вопрос в том, какой ценой и какими средствами. Чем больше КПД, тем меньше размеры и стоимость беспроводного зарядного устройства при той же передаваемой мощности. При зарядке смартфона от проводного адаптера (5 В) можно достичь КПД около 97%. В случае беспроводной зарядки такие показатели пока еще недостижимы, а то насколько они ниже, зависит от многих факторов, в т.ч. от расстояния. Увеличение расстояния между первичной и вторичной катушками вызывает снижение КПД любой системы. Однако в системах со слабосвязанными, настроенными в резонанс катушками, уменьшение КПД происходит намного медленнее в сравнении с системами с сильносвязанными катушками, что проявляется даже при применении катушек одинакового размера. Это отчетливо видно из результатов измерений, приведенных на рисунке 9. В процессе испытаний использовались две пары катушек размерами 35×35 и 35×35 мм (соотношение площадей катушек 1:1) и – 171×130 и 55×36 мм (12:1). Еще большее преимущество в эффективности магнитно-резонансных систем достигается, когда первичная и вторичная катушка имеют разные размеры (12:1). В этом случае одну первичную катушку можно использовать для зарядки нескольких устройств и одновременно заряжать, например, три мобильных телефона. Системы с сильносвязанными катушками вообще не работают при соотношении 12:1.
Рис. 9. Эффективность систем, использующих разные технологии
Еще одно отличие технологий заключается в следующем. При использовании метода MI для формирования переменного тока в резонансном контуре первичной катушки применяется полумостовой или мостовой преобразователь, тогда как при методе MR – усилитель мощности. Архитектура усилителя мощности может модифицироваться в зависимости от частоты, КПД, тока потребления в режиме ожидания, размеров, стоимости и назначения устройства. Вместе с тем при использовании этих методов следует уделять серьезное внимание снижению потерь на переключение, а также уменьшению паразитных потерь во внешних компонентах.
В зависимости от требований к входному напряжению и архитектуре системы, выбор технологии играет определяющую роль для оптимизации интегрированных решений. Как правило, в системе управления имеется несколько контуров регулирования, при этом стабильность общего контура управления определяет высокую производительность системы. При использовании MI- и MR-технологии хорошие показатели производительности могут быть достигнуты также за счет эффективного управления напряжением питания.
Стандарты
В настоящее время беспроводные зарядные устройства выпускаются в соответствии со спецификациями, предложенными альянсами WPC и PMA, в основу которых положена технология MI. Это спецификации Qi 1.0/Qi 1.1 (WPC) и PMA 1.0. В таблице 1 приведены некоторые рекомендации спецификаций WPC v. 1.1.2 (июнь 2013 г.), ориентированные на создание маломощных беспроводных зарядных устройств.
Таблица 1. Рекомендации спецификаций WPC v. 1.1.2
Параметр | Значение |
Мощность, Вт | 5 |
Расстояние между катушками, мм | 5…40 |
Частота тока возбуждения, кГц | 100…205 |
В WPC-спецификациях содержатся требования к мощности передатчика, приведены значения индуктивности передающих катушек, диаметра и марки провода обмотки, размеров катушек, а также даны рекомендации по выбору материала магнитных экранов и их расположению. В некоторых случаях для более точного позиционирования катушек предусматривается наличие постоянных магнитов. Их тип, расположение и ориентация полюсов также регламентируется спецификациями. Кроме того, для каждого типа передатчика даны размеры передающих катушек и приведены рекомендации по структуре преобразователя, формирующего ток в первичной катушке. Приведены также параметры PID-регулятора и его структурная схема.
Согласно WPC-спецификациям передатчик содержит мостовой или полумостовой DC/AC-преобразователь, формирующий ток, и собственно обмотку. В WPC-спецификациях предусмотрено использование двух типов передатчиков – А (А1…А18) и В (В1…В5), каждому из которых соответствует свой типоразмер катушек.
Передатчики типа А, как правило, содержат всего одну обмотку, она же всегда используется как активная. Если предусмотрено несколько или реализован линейный массив обмоток (например, как в А6 с частичным перекрытием), то тогда только одна из обмоток подключается к преобразователю. Причем, именно та из массива, которая в текущий момент обеспечивает наиболее эффективную передачу энергии приемнику. Выбор необходимой обмотки выполняется на начальном этапе обмена данными с приемником. Такой подход позволяет в определенной степени реализовать концепцию свободного позиционирования приемника и передатчика, что дает возможность потребителям не беспокоиться о точном совмещении мобильного устройства с определенным участком поверхности зарядного устройства. В передатчиках типа А поддерживается работа только с одной активной обмоткой.
В передатчиках типа В предусматривается возможность работы с несколькими обмотками из массива (т.е. допускается одновременное их подключение параллельно или последовательно), что обеспечивает возможность свободного позиционирования приемника на поверхности передатчика. Один преобразователь обслуживает только один приемник, однако не исключается возможность реализации нескольких преобразователей, при этом можно использовать незадействованные обмотки из массива. На рисунке 10 приведены структура и основные характеристики передатчиков типа А1 и А5.
Рис. 10. Структура передатчиков типа А1 и А5
Основные параметры катушек типоразмеров А1/А5, которые сегодня наиболее часто используются в выпускаемых устройствах беспроводной зарядки для мобильных потребительских устройств, а также катушки типоразмера В4, ориентированной на создание массива катушек, приведены на рисунке 11 и в таблице 2. Катушки типоразмера А1, А5 отличаются от А10, А11 только наличием постоянного магнита, который применяется для увеличения точности позиционирования передающей и принимающей обмоток, а также для фиксации устройства на поверхности передатчика. Материал магнита – неодим, диаметр – 15,5 мм, индукция постоянного магнитного поля, создаваемого на поверхности передатчика – 100 мТл. Магнит размещается в пространстве, образованном внутренними витками обмоток, диаметр которых составляет 20,5 мм.
Рис. 11. Основные параметры катушек типоразмера А1 и В4
Таблица 2. Основные параметры катушек типоразмеров А1 и А5
Параметр | А1 | А5 |
Одиночная катушка с магнитом |
Внешний диаметр (dO), мм | 43 | 44 |
Внутренний диаметр (dI), мм | 20,5 | 20,5 |
Толщина (dC), мм | 2,1 | 2,1 |
Число витков (n) | 10 | 10 |
Число слоев | 2 | 1/2 |
Индуктивность, мкГн | 24 | 6,3 |
Напряжение, В | 19 | 5 |
Структура преобразователя | полумост | мост |
Производители
Для выпуска экономичных портативных беспроводных зарядных устройств необходима специализированная элементная база. В настоящее время ряд компаний-производителей выпускает ИС для реализации технологии беспроводной зарядки в конечных изделиях (см. табл. 3). В их числе Freescale, Integrated Device Technology (IDT), Linear Technology Corporation (LT), Texas Instruments (TI) и другие. Приведенные в таблице 3 передатчики предназначены для работы с катушками типоразмеров A1, A5, A6, A10 и A11. Все ИС совместимы со спецификациями WPC 1.0/1.1. Приемник IDTP9021 (IDT) отвечает рекомендациям двух спецификаций: WPC 1.0.1 и PMA Type 1. Все передатчики содержат встроенные контроллеры. Микросхема LTC4120 (LT) не совместима со спецификациями WPC и создана в результате совместных усилий компаний LT и PowerbyProxi. ИС LTC4120 не содержит встроенного контроллера, что существенно упрощает ее применение. Кроме ИС ряд компаний выпускает широкую номенклатуру плоских катушек, ориентированных на использование в беспроводных зарядных устройствах.
Таблица 3. Компании-производители
Заключение
Одобренный альянсом A4WP проект спецификаций A4WP Version 1.0 Baseline System Specification (BSS) был впервые опубликован в январе 2013 г. Однако альянс еще не представил окончательный официальный вариант своих спецификаций. Предполагается, что это произойдет в течение 2014 г. Тем не менее, уже в ближайшее время ожидается серийный выпуск зарядных устройств, в соответствии с A4WP-спецификациями, активно продвигаемыми на рынок под брендом Rezence.
Согласно A4WP-спецификациям, в зависимости от мощности передатчики и приемники разделяются на классы и категории (см. табл. 4). А в зависимости от уровня потребляемой приемниками мощности передатчику каждого класса соответствуют приемники определенной категории. Например, передатчик второго класса может обеспечивать питанием два приемника категории 2 или один категории 3. Частота тока возбуждения передающей катушки – 6,78 МГц.
Таблица 4. Некоторые характеристики спецификаций A4WP
Передатчик | Приемник |
П.п. | Мощность передатчика, Вт | П.п. | Мощность приемника, Вт | Назначение |
Класс 1 | — | Категория 1 | — | — |
Класс 2 | 10 | Категория 2 | 3,5 | Моб. телефон |
Класс 3 | 16 | Категория 3 | 6,5 | Смартфон |
Класс 4 | 24 | Категория 4 | — | — |
Класс 5 | — | Категория 5 | — | — |
Назовем функциональные преимущества систем, основанных на использовании индуктивно-резонансного метода, в сравнении с системами на базе метода магнитной индукции.
- Гибкость во взаимной ориентации источника и приемников в процессе работы делает такие системы более простыми и удобными в пользовании.
- Один источник может быть использован для передачи энергии более чем одному приемнику, даже если они имеют разные требования к электропитанию, т.е. вместо того, чтобы иметь специальное зарядное устройство для каждого мобильного телефона, можно использовать всего одно для одновременной зарядки нескольких (см. рис. 12).
- Поскольку подразумевается использование систем с низким значением коэффициента связи (< 0,1), устраняются требования по поводу жестких ограничений между размерами катушек источника и приемника.
- Расстояние для эффективной передачи энергии может быть увеличено за счет использования резонансных ретрансляторов.
Рис. 12. Особенности MI- и MR-технологий
Ряд аналитиков предполагает, что преимущества применения беспроводных MR-систем окажут большое влияние на перераспределение рынка, и к 2020 г. доля MR-систем составит примерно 80% общего объема рынка всех беспроводных устройств зарядки (см. рис. 13).
Рис. 13. Структура рынка беспроводных зарядных устройств
В настоящее время на зарождающемся рынке беспроводных зарядных устройств аккумуляторов для мобильных гаджетов сложилась интригующая ситуация. Почти одновременно были созданы три независимых отраслевых альянса: WPC, PMA и A4WP. При этом ведущие компании одновременно являются членами конкурирующих альянсов, а каждый из них предлагает разные принципы реализации технологии беспроводной передачи энергии. В такой ситуации едва ли можно ожидать, что будет обеспечиваться совместимость между оборудованием разных производителей, поэтому ведущие корпорации вынуждены искать пути мирного урегулирования сложившейся ситуации.
В феврале 2014 г. соперничающие на рынке стандартов беспроводной передачи энергии консорциумы PMA и A4WP решили объединить усилия и подписали соглашение, направленное на поддержание функциональной совместимости их стандартов. Стороны договорились адаптировать свои спецификации, что позволит создавать совместимое между собой оборудование, ориентированное на разные приложения.
В январе 2014 г. на международной выставке потребительской электроники CES-2014 консорциум WPC продемонстрировал возможности зарядных устройств, созданных на базе магнитно-резонансной технологии в соответствии с новыми модифицированными Qi-спецификациями.
Обострившаяся конкуренция на рынке интеллектуальных гаджетов вынуждает производителей предлагать потребителям все новые функциональные возможности. Так, одной из новых «фишек» ультрамодных смартфонов можно назвать беспроводную зарядку, которая для потребителей может послужить реальным аргументом в споре за их качество.
Более полную информацию о системах беспроводной зарядки можно найти в .
Литература