Una panoramica della tecnologia di ricarica wireless

La ricarica wireless è il processo di ricarica di dispositivi elettronici alimentati a batteria senza collegarli direttamente a una fonte di alimentazione tramite fili e cavi. Il processo offre agli utenti la libertà di caricare il telefono in movimento senza la necessità di collegarlo alla presa di corrente. Ciò significa che gli smartphone e altri dispositivi abilitati alla ricarica wireless possono essere caricati semplicemente posizionandoli su un tavolino da caffè, ad esempio, o anche macchine più complesse come le auto elettriche possono essere ricaricate semplicemente parcheggiandole in garage o tramite la ricarica wireless su strada. Elimina tutti i problemi di sicurezza associati alla ricarica tramite cavo e apre le porte a un nuovo tipo di libertà per gli utenti.

La ricarica wireless risale alla fine del 1800 quando Nikola Tesla sviluppò la bobina di tesla che avrebbe dovuto aiutare a trasmettere potenza in modalità wireless, mentre l'esperimento non riuscì a raggiungere l'obiettivo all'epoca, suscitò interesse nel campo e molte più persone iniziarono a lavorare su l'idea. Nel 2006, il MIT ha iniziato a testare l'uso dell'accoppiamento risonante per trasmettere grandi quantità di energia e questo ha aperto la strada ad alcune delle grandi tecnologie di ricarica wireless esistenti oggi. Puoi dare un'occhiata a questo esperimento per costruire una bobina Mini Tesla per trasmettere potenza in modalità wireless.

Come funziona la trasmissione di potenza wireless

La ricarica wireless viene talvolta definita ricarica induttiva perché si basa sul principio dell'induzione elettromagnetica. Proprio come il sistema di comunicazione wireless, la ricarica wireless si ottiene tramite l'azione di un trasmettitore e ricevitore di energia wireless. Il trasmettitore di ricarica wireless solitamente indicato come stazione di ricarica è collegato a una presa di corrente e trasmette l'energia fornita tramite la presa al ricevitore che è sempre collegato al dispositivo da caricare e posizionato nelle immediate vicinanze della stazione di ricarica wireless.

Di seguito è riportato uno schema a blocchi per descrivere i componenti di un sistema di ricarica wireless e il processo di ricarica:

Come accennato in precedenza, la ricarica wireless sfrutta il principio dell'induzione magnetica utilizzato nei trasformatori di potenza elettrica, nei generatori e nei motori, in modo tale che il passaggio della corrente elettrica attraverso una bobina provoca un campo magnetico variabile attorno a quella bobina che induce una corrente in un'altra bobina accoppiata. Questo è il principio alla base del trasferimento di energia elettrica tra la bobina primaria e quella secondaria in un trasformatore elettrico anche se sembrano elettricamente isolate. Nella ricarica Wireless ciascuno dei componenti (trasmettitore e ricevitore) che compongono il sistema possiede una bobina. La bobina del trasmettitore può essere paragonata alla bobina primaria mentre la bobina del ricevitore può essere paragonata alla bobina secondaria di un trasformatore di potenza elettrica. Quando una stazione di ricarica è collegata all'alimentazione CA,la potenza erogata viene raddrizzata in DC dal sistema raddrizzatore dopodiché subentra il sistema di commutazione. Il motivo per la commutazione è quello di essere in grado di generare il flusso magnetico variabile necessario per indurre cariche nella bobina del ricevitore.

La bobina del ricevitore raccoglie la potenza in ingresso e la trasmette al circuito del ricevitore che converte la potenza in ingresso in CC e quindi applica la potenza ricevuta per caricare la batteria.

Come stabilito sopra, il trasferimento di potenza si verifica quando il flusso magnetico, creato stabilendo un campo magnetico alternato nella bobina del trasmettitore, viene convertito in una corrente elettrica nella bobina del ricevitore. La quantità di corrente elettrica generata dipende dalla quantità di flusso generato dal trasmettitore e dalla quantità di flusso che la bobina del ricevitore è stata in grado di catturare. La quantità di flusso che il ricevitore cattura dipende dal "fattore di accoppiamento" che è determinato dalle dimensioni, dalla distanza e dal posizionamento della bobina del ricevitore rispetto alla bobina del trasmettitore. Ciò significa che un fattore di accoppiamento più elevato si tradurrà in un maggiore trasferimento di energia. Per aumentare le possibilità di un fattore di accoppiamento più elevato, alcune stazioni di ricarica wireless sono progettate con più bobine del trasmettitore come mostrato nell'immagine sotto.

Standard di ricarica wireless

Gli standard di ricarica wireless si riferiscono alla serie di regole che disciplinano la progettazione e lo sviluppo dei dispositivi wireless. Attualmente esistono due diversi standard di settore per la ricarica wireless promossi da organismi diversi.

1. Rezence Standard

2. Standard QI

Lo standard Rezence si basa sulla carica induttiva risonante in modo tale che la carica si verifica quando entrambe le bobine del trasmettitore e del ricevitore sono in risonanza. Con questo standard, i dispositivi possono raggiungere una distanza maggiore tra il trasmettitore e il ricevitore per la ricarica. Questo standard è promosso dall'Alliance for wireless power (A4WP).

Lo standard QI d' altra parte raggiunge il trasferimento di energia wireless utilizzando un accoppiamento stretto tra le bobine e contro lo standard Rezence , il trasmettitore e la bobina del ricevitore sono sempre progettati per funzionare a frequenze leggermente diverse poiché si ritiene che venga erogata più potenza utilizzando questa configurazione. Lo standard QI è stato promosso dal consorzio di alimentazione wireless che include membri come Apple inc, Qualcomm, HTC per citarne alcuni.

È possibile selezionare lo standard wireless più adatto alla propria applicazione considerando il compromesso tra EMI, efficienza e libertà di allineamento tra i due standard. Tuttavia, alcune stazioni di ricarica wireless sono progettate per supportare entrambi gli standard, fornendo un'elevata interoperabilità tra i dispositivi.

Design semplice per caricabatterie wireless

Prima di costruire un sistema di ricarica wireless, è necessario prendere in considerazione quanto segue.

1. Standard: quando si equipaggia un dispositivo con capacità di ricarica wireless, la prima cosa da fare è selezionare lo standard di alimentazione wireless adatto al dispositivo e ai suoi casi d'uso. Alcuni sistemi di ricarica si basano su più standard.

2. Selezione della bobina: il passo successivo è selezionare il tipo di bobina e la geometria della bobina giusti per adattarsi al caso d'uso. I fornitori forniscono queste bobine in indicatori standard, quindi la selezione dell'appropriato dovrebbe essere basata sulla raccomandazione della scheda tecnica del trasmettitore di ricarica wireless IC da utilizzare.

3. Custodia: quando si progettano sistemi wireless, è importante che la custodia dei dispositivi non sia metallica e abbia una superficie relativamente piatta per ottenere un fattore di accoppiamento più elevato tra il trasmettitore e il ricevitore. Il metallo impedisce efficacemente all'energia trasmessa di arrivare al ricevitore e l'involucro di plastica deve essere progettato per essere ultrasottile.

Design del trasmettitore

Il sistema di ricarica wireless comprende sia il trasmettitore che il ricevitore come affermato in precedenza. Di seguito è riportato lo schema che mostra il design di un trasmettitore.

Ci sono tre componenti principali che compongono il trasmettitore; la fonte di alimentazione, la bobina del trasmettitore e il circuito di commutazione. La fonte di alimentazione è solitamente CC da una CA rettificata. Dopo la rettifica, il circuito di commutazione viene utilizzato per generare il segnale alternato utilizzato nella creazione del campo magnetico variabile per indurre il trasferimento di corrente dal trasmettitore al ricevitore tramite la bobina del trasmettitore.

Design del ricevitore

Il design del ricevitore è simile a quello del trasmettitore tranne per il fatto che l'azione si svolge in ordine inverso. Il ricevitore è costituito da una bobina del ricevitore, una rete di risonanza, un raddrizzatore e un caricatore IC che utilizza l'uscita del circuito raddrizzatore per caricare la batteria collegata. Un esempio del circuito del ricevitore è mostrato nell'immagine sotto con le parti funzionali evidenziate. Questo esempio si basa sull'IC di ricarica dell'LTC4120.

Applicazioni

La ricarica wireless è attualmente utilizzata in molte applicazioni, tra cui:

1. Smartphone e indossabili
2. Notebook e tablet
3. Utensili elettrici e robot di servizio, come aspirapolvere
4. Multicotteri e giocattoli elettrici
5. Dispositivi medici
6. Ricarica in auto

Oltre ai motivi fantasiosi per cui dovresti usare la ricarica wireless, come la mancanza di collegare un dispositivo e nessun problema di compatibilità della spina, la ricarica wireless fornisce sicurezza dai pericoli legati al collegamento diretto alla rete elettrica. Inoltre, è affidabile in ambienti più difficili, come la perforazione e l'estrazione mineraria e consente una ricarica in movimento. Infine, la ricarica wireless elimina i grovigli e altri problemi creati dai cavi. Abbiamo appena scalfito il volto della ricarica wireless con diverse nuove applicazioni, ogni progetto di prodotto realizzato pensando al futuro dovrebbe cercare di incorporare la ricarica wireless poiché è sicuramente uno dei modi in cui ricaricheremo i dispositivi alimentati a batteria nel prossimo futuro.