Zasilanie bez przewodów

Współczesne trendy sprawiają, że duży nacisk kładzie się na energooszczędność, dlatego technologia bezprzewodowego zasilania od samego początku jest mocno zorientowana na uzyskanie dużej sprawności oraz maksymalne obniżenie mocy pobieranej w trybie stand-by. Nie jest dużym zaskoczeniem stwierdzenie, że część użytkowników nie wyłącza ładowarek z sieci po zakończeniu ładowania i pozostawia je tak na długi czas. Wprowadzając dobrze przemyślane rozwiązania, można sprawić, że energia pobierana z sieci będzie minimalna i w efekcie pozwoli przynieść realne oszczędności.

Rys. 1. Schemat blokowy systemu bezprzewodowej transmisji energii Rys. 2. Sprawność systemu bezprzewodowego przesyłania energii jest uzależniona od rozmiaru cewek i ich odległości od siebie

Sukces komercyjny jest upatrywany w zwiększeniu komfortu użytkowników korzystających ze sprzętu elektronicznego. Brak przewodów skraca czas rozpoczęcia ładowania, zwłaszcza w sytuacji, gdy uda się wypracować jednolity standard i jedna ładowarka będzie mogła współpracować z różnymi urządzeniami. Zainteresowanie konsumentów będzie w dużej mierze uzależnione od dokładnego przewidzenia ich rzeczywistych oczekiwań. Nie bez znaczenia będzie tu także końcowa cena bezprzewodowych ładowarek. Musi być ona na tyle atrakcyjna, aby zakup był opłacalny.

Podstawy działania

Istnieją dwa zasadnicze sposoby dystrybucji energii: rozsiewczy (broadcast) oraz zbliżeniowy. Idea pierwszego rozwiązania jest podobna do funkcjonowania sieci Wi-Fi. Nadajnik pokrywa polem elektromagnetycznym obszar, którego rozmiar jest uzależnionym od zastosowanej mocy. Drugi sposób oparty jest na bezpośredniej dystrybucji energii do urządzenia na krótkim dystansie, co pozwala znacząco ograniczyć straty. Rozróżnia się różne zasięgi systemów bezprzewodowego zasilania, określające dopuszczalną odległość pomiędzy częścią nadawczą a odbiorczą.

Najczęściej są one wyrażane jako wielokrotność średnicy cewki nadawczej. W sytuacji, gdy odległość ta jest nie większa niż średnica cewki, mówi się o bliskim zasięgu (near-field). Dla odległości z przedziału od jednej do dziesięciu średnic zasięg jest uważany za średni (mid-range). Zasadę działania systemu zasilania bezprzewodowego pokazano na rysunku 1. Składa się on z dwóch części. Pierwszą stanowi stacjonarny nadajnik podłączony do sieci elektrycznej lub innego źródła energii (np. portu USB) zawierający cewkę zasilaną prądem przemiennym, pod wpływem którego powstaje zmienne pole magnetyczne przesyłane do odbiornika.

W cewce odbiornika dochodzi do indukcji napięcia, które jest wykorzystane do zasilenia urządzenia mobilnego bądź naładowania akumulatora. Kluczową sprawą jest kontrola tego procesu. Nietrudno zauważyć, że każde urządzenia wymaga innej mocy. Zapotrzebowanie to jest inne dla ładowarki akumulatorów w telefonie, a inne dla zasilacza od laptopa. Najprostsze rozwiązanie polegające na przesyłaniu dużych ilości energii tak, aby zaspokoić potrzeby każdego dołączanego urządzenia, nie jest optymalne.

Rys. 3. Obwód rezonansowy - nadawczy i odbiorczych - schemat ideowy Rys. 4. Obwód rezonansowy - nadawczy i odbiorczy - schemat uwzględniający elementy wnoszące straty i kompensację indukcyjności

Powstaje wtedy problem z nadmiarem mocy w mniej energochłonnym sprzęcie, co prowadzi do jej rozpraszania. Znajduje to przełożenie w dużych stratach i nagrzewaniu się elementów wchodzących w skład urządzenia. Problem jest mniej odczuwalny, gdy zasilacz bądź ładowarka jest dostosowana do konkretnego odbiornika. Mimo to konieczne jest uwzględnienie zmiennych warunków otoczenia, w jakich system zasilający ma pracować. Pod uwagę należy wziąć rozmiar cewek, pojemności, częstotliwość, odległości między nadajnikiem i odbiornikiem.

Wpływ na sprawność ma również rozrzut tych parametrów i zmiana ich właściwości w czasie eksploatacji. Najprawdopodobniej była to główna przyczyna, która sprawiła, że ani Tesla, ani inni wynalazcy nie byli w stanie dopracować swoich rozwiązań. Dzięki postępowi techniki, możliwe stało się zbudowanie systemów wyposażonych w mechanizmy adaptacyjne. Parametry takie jak częstotliwość rezonansowa czy moc nadajnika są na bieżąco korygowane, aby zapewnić maksymalną sprawność.

Pozwala to dostosować transmisję energii do potrzeb odbiornika. System jest w efekcie bardziej elastyczny i nie musi mieć wydajności odpowiadającej zapotrzebowaniu urządzenia o największej mocy. Tym samym możliwe staje się zasilanie z jednego nadajnika urządzeń różnego typu: laptopów, telefonów komórkowych, telewizorów, zestawów słuchawkowych, odtwarzaczy MP3, zabawek. Systemy adaptacyjne znajdują zastosowanie przy przesyłaniu energii na krótki i średni dystans.

W przypadku większych odległości transmisja odbywa się głównie z wykorzystaniem fal radiowych pozwalających znacząco zmniejszyć rozmiar anteny. Nadajnik i odbiorniki są dostrajane bardzo dokładnie do pracy na zadanej częstotliwości. Rozsiewczy charakter takich systemów sprawia jednak, że urządzenia nieprzystosowane, które są przypadkiem dostrojone do tej samej częstotliwości, są narażone na działanie silnych zaburzeń elektromagnetycznych.

Może to doprowadzić do utraty ich stabilności oraz obniżyć sprawność systemu zasilania bezprzewodowego. Jest to znaczący problem, który zapewne będzie wymagał przygotowania standardów określających sposób projektowania zasilaczy i ładowarek bezprzewodowych oraz opracowania testów pozwalających wykrywać problemy tego typu.