Que a forza estea contigo e cos teus dispositivos. Cargador sen fíos

O famoso Nikola Tesla estaba obsesionado cunha idea. Imaxinou que a electricidade podía transmitirse sen fíos, polo aire a longas distancias ou coa axuda de torres organizadas en rede (1). Non todo saíu segundo o previsto, xa que a súa visión estaba usando demasiada enerxía. As ambicións de Tesla non se materializaron, pero a propia teoría non foi refutada.

Un artigo publicado en xaneiro de 2021 na revista Nature suxeriu que poderían construír sen sabelo o que Tesla non conseguiu construír a principios dos séculos XNUMX e XNUMX: unha "rede eléctrica sen fíos" que podería adaptarse para cargar ou alimentar pequenas instalacións integradas. dispositivos en coches, casas. , traballos e fábricas.

Dado que 5G depende dunha rede densa de mástiles e antenas, é posible que a mesma infraestrutura, con algunhas modificacións, poida proporcionar enerxía a dispositivos pequenos. Non obstante, o sistema seguirá sufrindo o mesmo problema que tiñan as torres Tesla: altas perdas de enerxía.

Deseñados para o seu uso, poden levar tanto unha conexión a Internet como electricidade. Os experimentos utilizaron novos tipos de antenas para facilitar a carga sen fíos. No laboratorio, os investigadores utilizaron enlaces 5G para transmitir enerxía a unha distancia relativamente curta de pouco máis de dous metros, pero esperan que a próxima versión do seu dispositivo sexa capaz de transmitir 6 microvatios (6 millonésimas de vatio) a unha distancia de 180 metros. Isto aínda non é suficiente. Non é suficiente con cargar o teu teléfono. Non obstante, pode cargar ou alimentar Dispositivos IoT, sensores e alarmas. Nas fábricas pódense usar centos de sensores IoT para supervisar os almacéns, prever avarías de equipos ou seguir o movemento de pezas ao longo dunha liña de produción.

Para proporcionar enerxía sen fíos a este nivel, mástiles 5G deben ser de polo menos 31 kW, o que corresponde a dez caldeiras de auga en ebulición continua. Aínda que os temores de que o 5G poida causar cancro foron desmentidos polos científicos, a cantidade de enerxía que chega dos mastros pode ser perigosa. Os usuarios deberán estar a unha distancia mínima de 16 metros dos mastros de acordo coas normas de seguridade. Esta técnica só está na súa infancia.

Posibles solucións futuras, aínda que só novas antenas con feixes máis estreitos e enfocados pode reducir significativamente a cantidade de enerxía necesaria para executar o sistema. Recentemente, un grupo de científicos do Instituto Tecnolóxico de Xeorxia desenvolveu un pequeno Antena rectificadora impresa en 3Dque pode recoller a enerxía electromagnética dos sinais da rede 5G e usala para alimentar dispositivos. A antena flexible, cuxo deseño está baseado en lentes Rothman, pode recoller ondas milimétricas na banda de 28 GHz. Enerxía das ondas electromagnéticas transfírese ao cargador e transmítese sen fíos a, por exemplo, dispositivos electrónicos portátiles ou módulos IoT.

Solucións como as descritas anteriormente xa se están probando nalgúns lugares do mundo. Powerco, segundo máis grande distribuidor de electricidade en Nova Zelanda está a pilotar o sistema Emrod, que utiliza rectennas que captan ondas do espectro electromagnético correspondentes a frecuencias como Wi-Fi ou Bluetooth, para despois transmitir enerxía eléctrica de microondas dun punto a outro (2). Ao mesmo tempo, pequenos láseres supervisan as antenas do rectificador para detectar calquera obstáculo entre os puntos de relé. "Desenvolvemos a tecnoloxía para transmitir enerxía sen fíos a longas distancias", di Greg Kushnir, fundador de Emrod.

2. Comparación da instalación do sistema de transmisión de enerxía sen fíos Emrod cunha rede de transmisión típica

proxectos transmisión de enerxía sen fíos chegan ao espazo exterior a distancias aínda maiores. Como aconteceu recentemente, o misterioso Minitransbordador X-37B tamén é usado polo Pentágono para probar tecnoloxías para transmitir enerxía a distancia e subministrala a varios dispositivos. O X-37B ten unha placa especial cun diámetro de 30 centímetros, que está deseñada para converter a enerxía solar en enerxía de microondas. Infórmase de que os resultados do experimento PRAM-FX sorprenderon moito aos científicos. A eficiencia de conversión é moito maior do esperado.

Cal é o plan do Pentágono? O Exército quere enviar sen fíos cantidades masivas de enerxía desde a órbita á Terra e despois ao redor do mundo. A vantaxe desta tecnoloxía é que nin as peores condicións meteorolóxicas lle teñen medo. Os científicos ven a súa aplicación non só nas bases de Marte ou a Lúa, onde será posible producir enerxía nun só lugar e despois enviala a bases remotas, senón tamén na Terra, por exemplo, para transferir enerxía entre obxectos distantes.

Agora o pentágono está en construción. nave espacial chamada Aracne i Sistema solar Helios. O barco estará equipado con placas solares especiais e un sistema de transmisión de enerxía aos orbitadores, así como á Terra. O dispositivo debería enviarse ao espazo xa en 2023. O exército dos Estados Unidos planea construír varias granxas solares na órbita terrestre nos anos 20 do século XNUMX, onde será posible producir enerxía e enviala á Terra ou alimentar instalacións espaciais con ela.

Tamén se construirán granxas similares en órbita arredor da Lúa e Marte, porque a NASA tamén participa no proxecto.

Indución ou ondas

Por "carga sen fíos" enténdese o proceso carga de dispositivos eléctricos e equipos que funcionan con pilas sen necesidade de conexión eléctrica por cable. En xeral, hai tres tipos de carga: indutiva, resonante e de radio.

Carga indutiva utiliza o fenómeno físico da indución electromagnética. Cando a corrente alterna atravesa a bobina de indución da estación de carga, a carga eléctrica en movemento crea un campo magnético cuxa forza varía.

Este campo magnético alterno crea unha corrente eléctrica alterna na bobina de indución do dispositivo que se está cargando, que á súa vez pasa polo rectificador. A corrente continua carga a batería ou proporciona enerxía de funcionamento. O concepto de carga indutiva foi explorado por primeira vez polo físico inglés Michael Faraday en 1831 e refinado por Nikola Tesla.

De lonxe, a aplicación máis popular deste tipo de tecnoloxía no mundo é o estándar de carga sen fíos Qi para teléfonos intelixentes, reloxos intelixentes e tabletas (3). A carga indutiva tamén se usa en vehículos, ferramentas eléctricas, cepillos de dentes eléctricos e dispositivos médicos. Os dispositivos portátiles pódense colocar preto da estación de carga ou da placa de indución sen necesidade de posicionamento preciso ou contacto eléctrico coa estación de acoplamento ou enchufe.

3. Cargador sen fíos

Pódense conseguir grandes distancias entre as bobinas do transmisor e do receptor utilizando un acoplamento indutivo resonante nun sistema de carga indutiva no que se engade un capacitor a cada indutor para formar dous circuítos a unha frecuencia de resonancia específica. Correspondencia de frecuencia de CA frecuencia de resonanciae este escóllese en función da distancia requirida para o máximo rendemento.

Unha das empresas máis famosas deste sector é lanzar WiTricity coñecido pola súa tecnoloxía de carga sen fíos baseada na resonancia electromagnética. As solucións da empresa consisten en transmisores e receptores cos que dispoñen antenas magnéticas sintonizado á mesma frecuencia, o que permite que a plataforma cargue varios dispositivos ao mesmo tempo.

O principal obxectivo de WiTricity é equipar os vehículos eléctricos con este sistema. WiTricity asociouse con Toyota, que probou as alfombras de carga en híbridos Prius, así como en Honda, Hyundai, Nissan e GM. Non obstante, só o BMW 2018e iPerformance 530e de 2018 foi o primeiro modelo con este sistema en chegar ao mercado.

Cargador sen fíos as emisións de radio xa presentaran un esquema histórico que se remonta á época de Tesla. Baséase noutro principio físico: a transferencia de enerxía por ondas electromagnéticas. Actualmente opera nas bandas de baixa potencia, aínda que os traballos de desenvolvemento aínda están en curso.

En 2015, a tecnoloxía sen fíos de microondas podía transmitir 1,8 quilovatios de potencia a unha distancia de 55 metros. Ademais, isto non tivo lugar no baleiro, senón na atmosfera común da Terra. Isto foi feito por investigadores xaponeses, e foi considerado un gran logro no campo da transmisión de enerxía sen o uso de cables eléctricos. En Xapón, hai moitos anos que se están investigando sobre a transmisión de enerxía sen fíos a longas distancias. Tamén se coñecen plans para obter enerxía do Sol coa axuda de grandes granxa solar no espazo exterior.

Patentes e normas

A maioría das máis de 2019 patentes nesta área pendentes en 20-401 están en China: 4 (XNUMX). Por suposto, corporacións estadounidenses como Qualcomm e Apple tamén se están desenvolvendo activamente. novas tecnoloxías de carga sen fíos. En Corea do Sur, Samsung e LG están a traballar activamente nesta área cos seus teléfonos intelixentes insignia das series Galaxy S e V, que admiten a carga sen fíos. En Xapón, pola contra, esta técnica é de interese para os xigantes da automoción Toyota e Nissan.

4. Países líderes en número de patentes no campo da carga sen fíos

Non obstante, para que a carga sen fíos se estenda, tamén son necesarios estándares internacionais. Nos últimos anos xurdiron dous estándares de carga sen fíos: Qi e Power Matters Alliance (PMA).

Qi usa un rango de 100…205 kHz. Segundo o Wireless Power Consortium, actualmente hai máis de 3700 dispositivos con certificación Qi no mercado capaces de entregar de 5 a 15 watts de potencia aos dispositivos móbiles.

O estándar de carga PMA utiliza o rango de 277…357 kHz. Tamén coñecida como estándar AirFuel Alliance, esta opción sen fíos ofrece ata 50 milímetros de potencia, o que lle permite usar os seus dispositivos mentres se carga e permite cargar varios dispositivos ao mesmo tempo.

Aínda que estas dúas normas usan carga inductiva e teñen unha estrutura de compoñentes semellante, non son compatibles. Os dispositivos requiren configuracións diferentes para admitir PMA e Qi. Moitos dispositivos novos inclúen o hardware necesario para usar os dous estándares de carga. A situación está cambiando xa que Qi parece estar tomando o relevo. Por exemplo, Powermat, membro fundador do consorcio PMA, está pasando ao estándar Qi, que tamén foi adoptado por Apple como estándar de carga sen fíos. Outros fabricantes líderes de Qi inclúen Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi e Sony.

Na procura de comodidade, rendemento e fiabilidade

Vexamos as solucións dispoñibles no mercado ou as de recente desenvolvemento. Os fabricantes esfórzanse para que este tipo de dispositivo sexa fácil de usar. Un exemplo sería Encimeras do estaleiro, un dos principais fabricantes de encimeras do Reino Unido, ofrece unha técnica para integrar a tecnoloxía de carga sen fíos na superficie das súas encimeras. Este sistema modular sinxelo e eficiente usa o transmisor estándar SupaPowa Qi que permite que a corrente fluya entre a bobina transmisora ​​e a bobina receptora nas proximidades.

A mesa moderna e elegante brilla cando se carga o dispositivo. O fabricante tamén ofrece colocar un disco feito de material de contraste na encimera, grazas ao cal a localización do punto de carga é claramente visible para todos os usuarios: día e noite.

O sistema "FreePower" de Aira pódese integrar en mesas, escritorios e paneis de mando para convertelos en cargadores capaces de alimentar varios dispositivos á vez. Os cargadores de contacto típicos teñen área concentrada de xirosque debe estar aliñado co teléfono intelixente para cargalo. As superficies alimentadas por Aira usan varias bobinas na superficie e algoritmos que realizan un seguimento dos dispositivos que se están cargando.

O sistema de carga sen fíos WattUp(5) de Energous permite aos usuarios cargar teléfonos intelixentes, tabletas e outros dispositivos na mesma zona que a plataforma. WattUp funciona de forma similar a WiTricity (imaxes de resonancia magnética), pero difire do inicio de Boston en que o transmisor usa Bluetooth para buscar dispositivos que se poidan cargar coa aplicación Energous.

Un dos máis famosos no mercado mundial é Técnica Powermat (6), denominada SmartInducitve, baseada na indución magnética, que permite a transmisión de enerxía a longas distancias, ata 40 cm, admite a carga sen fíos cun cambio significativo (aínda cando se coloca en ángulo) e é apta para cargar e alimentar dispositivos sen fíos a través das paredes. , a distancia, en duras condicións exteriores, baixo a auga e mesmo en ambientes cun alto grao de metalicidade.

Pola súa banda, Elix Wireless desenvolve cargadores de alta potencia de 1 a 000 20 W para calquera aplicación e dispositivos industriais. A compañía está especializada en "acoplamento magnetodinámico" (MDC), que utiliza un par de imáns rotativos tanto no transmisor como no receptor, separados por un espazo de aire. A rotación do imán na unidade transmisora ​​fai que o imán do receptor xire en sincronía, proporcionando unha transferencia de enerxía eficiente que produce menos calor que outros métodos de indución.

En comparación con todas as solucións descritas aquí, o produto uBeam difire en que usa ultrasóns para cargar. Segundo a descrición da empresa da tecnoloxía, a plataforma funciona cun transmisor parecido a un altofalante que emite son de alta frecuencia no rango de 45 a 75 kHz (inaudible para humanos e animais). Despois usa unha antena de matriz en fases para enviar son a un receptor tipo micrófono montado nun dispositivo que necesita enerxía. A continuación enerxía das ondas ultrasónicas convertido en corrente continua. Cando o dispositivo se está cargando, a transmisión de enerxía interrómpese.

Coidado cos corpos estraños

A pesar do constante desenvolvemento e mellora, os métodos de carga utilizados actualmente na práctica aínda presentan moitos problemas. Como se indicou nun artigo recente en The New York Times, cargar un iPhone XR co cargador con cable de 12 vatios de Apple aumentou os niveis da batería nun 38 por cento en 30 minutos, pero usar unha estación de carga sen fíos durante media hora só produciu unha carga do 24 por cento.

Polo que o resultado non é moi impresionante. Ademais, canto máis lonxe estea o receptor do transmisor, menos enerxía recibirá da fonte. un campo magnético. A eficiencia de carga diminúe non só ao aumentar a distancia, senón tamén debido a unha posición "non óptima". Ademais, todos os métodos de transferencia de enerxía xeran calor. A carga sen fíos non é mellor, e nalgúns casos pode ser máis problemática, que a carga por cable.

W cargador sen fíos cómpre ter coidado cos obxectos estraños preto da bobina, especialmente se son de metal. Por exemplo, unha moeda ou un conxunto de chaves colocados accidentalmente nun cargador poden comezar a transferir enerxía, podendo derreter o obxecto e danar o cargador. Hai, por suposto, dispositivos que sinalan cando os obxectos estraños están onde non deberían estar, pero, como podes supoñer, non custan menos do habitual.

A enerxía do aire pode resolver os problemas da batería

A loita por mellorar os aínda pouco impresionantes intensifícase axustes do cargador sen fíos. As empresas buscan formas de facer máis cómodo o proceso de carga dun teléfono intelixente, para que o teléfono non teña que estar preto dunha toma de corrente ou colocado con precisión nunha superficie de carga. En 2019, a empresa chinesa OPPO ofreceu modelos de teléfono Reno Ace que funcionaban cun cargador sen fíos de 65 W, o que permitía cargar a batería ata o 100 por cento.

dentro de 30 minutos. Desde entón, a competición pola maior capacidade de carga por cable continuou. En 2020, VIVO e Xiaomi anunciaron unha tecnoloxía de carga con cable de 120 W que pode cargar unha batería de 4000 mAh en 20 minutos. Non obstante, estes dispositivos non están dispoñibles actualmente no mercado, como o anunciado sistema de 80 vatios de Xiaomi.

O comezo de 2021 é unha serie de presentacións de sistemas de carga de longa distancia para dispositivos móbiles "sen cables e sen soportes de carga". OPPO presentou a súa solución por primeira vez. No vídeo de demostración, podemos ver que o teléfono carga sen fíos, a pesar de estar retirado do seu soporte. Pouco despois desta presentación, os chineses de Xiaomi anunciaron o sistema Mi Air Charge. Uns días despois, xa en febreiro, Motorola fixo unha manifestación estación de carga remota chamado "Motorola One Hyper" (7). E a empresa xaponesa Aeterlink presentou o dispositivo Airplug, que, segundo as súas garantías, alimenta dispositivos a unha distancia de ata 20 metros.

7. Presentación do sistema Motorola One Hyper para cargar cámaras dende unha distancia aproximada dun metro

En marzo, Xiaomi revelou máis detalles sobre a súa técnica de carga de longo alcance. O seu cargador está equipado con antenas capaces de detectar a posición do smartphone. Matriz de control de fase formado por 144 antenas que transmiten ondas milimétricas directamente ao teléfono mediante beamforming. A matriz de antenas receptoras de 14 antenas converte o sinal de ondas milimétricas en electricidade, que carga o teléfono.

A compañía dixo que "nun futuro próximo" o sistema tamén poderá funcionar con reloxos intelixentes, pulseiras e outros dispositivos portátiles. En canto ao teléfono intelixente, Xiaomi desenvolveu unha "antena de sinal" e unha "antena de recepción ficticia". O primeiro transmite información sobre a localización.

Unha das ideas de carga sen fíos cargador sen fíos de longa distanciaque está atornillado no portalámpada. Este é un produto desenvolvido pola empresa israelí Wi-Charge. Este é o uso da luz infravermella para transmitir unha potencia duns dous vatios. A compañía presentou a técnica no CES 2020 e recibiu un premio á innovación. A idea é que o transmisor estea conectado a fontes de enerxía domésticas tradicionais e converterá a electricidade en raios láser infravermello. Os receptores integrados nos dispositivos converterán esta luz nunha fonte de enerxía. Wi-Charge está a lanzar actualmente a súa solución para cargar remotamente cámaras de seguridade e estantes intelixentes en tendas e almacéns dos Estados Unidos.

Se algunha vez os produtos electrónicos portátiles se beneficiaron da carga sen fíos remota, xa sexa nunha rede como 5G ou algunha outra tecnoloxía sen parar, as baterías poderían reducirse de tamaño e, nalgúns casos, non usarlas. . Isto resolve moitos dos problemas aos que se enfronta o sector dos wearables na actualidade.