Trwa promocja! Rabaty na nasze e-booki (-48%) oraz zestawy do kursów (-10%, -30%). Sprawdź szczegóły »

Jak działa ładowarka bezprzewodowa? Czym jest Qi?

Jak działa ładowarka bezprzewodowa? Czym jest Qi?

Ładowarka bezprzewodowa, która bazuje na zjawiskach znanych z transformatorów, to coraz popularniejszy gadżet. Warto zatem wiedzieć, jak działa ładowarka bezprzewodowa.

Przekazywanie energii na odległość było celem wielu wynalazców. Dlaczego więc korzystamy np. z takich ładowarek dopiero od kilku lat?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Z tego tekstu dowiesz się, jaka jest podstawowa zasada działania ładowarek bezprzewodowych oraz jak bardzo urządzenia te zbliżone są do transformatorów. Dowiesz się również, jakie wady i zalety ma ta technologia oraz gdzie jeszcze można ją wykorzystać (oprócz telefonów).

Poznasz także najważniejsze informacje na temat ładowarek zgodnych ze standardem Qi, który jest obecnie rozwijany przez konsorcjum składające się z kilkuset firm technologicznych. Przeczytasz też tutaj o alternatywnych metodach bezprzewodowego przekazywania energii.

Ładowarka bezprzewodowa – zasada działania

Najprościej to ujmując, ładowarka bezprzewodowa działa na zasadzie zwykłego transformatora, którego szkic przedstawiony został na poniższej ilustracji. Transformator ma dwa uzwojenia, które są od siebie odizolowane. Nie są ze sobą połączone przewodami, są odizolowane, ale pomiędzy uzwojeniami może być przekazywana energia elektryczna – przekazywana bezprzewodowo.

Idea budowy klasycznego transformatora z rdzeniem. Na pomarańczowo zaznaczono uzwojenie pierwotne, na czerwono – uzwojenie wtórne, na niebiesko – strumień magnetyczny, a na szaro – rdzeń transformatora

Idea budowy klasycznego transformatora z rdzeniem. Na pomarańczowo zaznaczono uzwojenie pierwotne, na czerwono – uzwojenie wtórne, na niebiesko – strumień magnetyczny, a na szaro – rdzeń transformatora

W uzwojeniu pierwotnym płynie prąd (i występuje tam jakieś napięcie). Powoduje to wytworzenie pola magnetycznego, którego „siłę” charakteryzuje strumień magnetyczny. Obecność pola magnetycznego, a konkretnie zmiennego pola magnetycznego, umożliwia bezprzewodowe przekazanie energii na odległość, do uzwojenia wtórnego. Więcej informacji na ten temat znaleźć można w tekście, który został w całości poświęcony temu, czym jest i jak działa transformator:

Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie
Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator to element elektroniczny, który przekształca energię. W praktyce kojarzy się go np. z zasilaczami, w których pozwala zmniejszyć... Czytaj dalej »

Ładowarka bezprzewodowa a transformator

Podstawowa idea realizacji ładowarki bezprzewodowej widoczna jest na poniższym rysunku. Energia elektryczna ze źródła zasilania jest zamieniana za pomocą generatora na energię prądu zmiennego o dużej częstotliwości. Prąd i napięcie zmienne są doprowadzone do uzwojenia pierwotnego, które wytwarza pole magnetyczne obejmujące uzwojenie wtórne. Dlatego w uzwojeniu wtórnym indukuje się napięcie zmienne i płynie prąd – tak uzyskany prąd zmienny jest prostowany i wykorzystywany do ładowania akumulatora.

Podstawowa zasada realizacji ładowarki bezprzewodowej: Uz – źródło zasilania, G – generator, D – prostownik, R – obciążenie (akumulator), L1 i L2 – cewki (uzwojenie transformatora)

Podstawowa zasada realizacji ładowarki bezprzewodowej: Uz – źródło zasilania, G – generator, D – prostownik, R – obciążenie (akumulator), L1 i L2 – cewki (uzwojenie transformatora)

Dla zwiększenia efektywności przekazywania energii korzystne, a wręcz konieczne jest wykorzystanie zjawiska rezonansu, co w uproszczony sposób zostało zasygnalizowane na poniższej ilustracji.

Koncepcja prostej ładowarki bezprzewodowej z dodanymi obwodami rezonansowymi (LC)

Koncepcja prostej ładowarki bezprzewodowej z dodanymi obwodami rezonansowymi (LC)

W praktyce częstotliwość przebiegu zmiennego i wytwarzanego pola magnetycznego w ładowarce bezprzewodowej musi być wielokrotnie większa od częstotliwości sieci energetycznej 50 Hz. W ładowarkach wykorzystuje się częstotliwości tysiące razy większe. Z jednej strony jest to korzystne, z drugiej oznacza konieczność pokonania dodatkowych problemów. W każdym razie i tak energia może być przekazywana tylko na małe odległości, rzędu 1 cm lub niewiele większą.

Transformator bez rdzenia?

W dużym uproszczeniu można więc powiedzieć, że ładowarka bezprzewodowa jest transformatorem, a w transformatorze bardzo ważną funkcję pełni rdzeń, wykonany z materiału ferromagnetycznego. Jego obecność ogromnie poprawia właściwości transformatora, w tym najbardziej tu istotną możliwość przesyłania dużych ilości energii.

W przypadku ładowarek bezprzewodowych pojawia się problem, ponieważ zastosowanie klasycznego rdzenia jest w ogóle wykluczone, a jeżeli w ładowarce miałby być wykorzystany jakiś rdzeń, to tylko częściowo mógłby pełnić swoją funkcję (w ładowarkach bezprzewodowych są elementy ferromagnetyczne, ale bardziej odgrywają one rolę ekranu ochronnego – osłony, a nie rdzenia).

W ładowarkach bezprzewodowych nie ma rdzenia, który mógłby znacznie poprawić sprawność ładowania

W ładowarkach bezprzewodowych nie ma rdzenia, który mógłby znacznie poprawić sprawność ładowania

Transformator bez rdzenia jest, najprościej mówiąc, mało sprawny, gdyż ferromagnetyczny rdzeń niejako skupia pole magnetyczne i nie pozwala mu „rozejść się” w niepożądanych kierunkach. Można stwierdzić, że uzwojenie pierwotne wytwarza strumień magnetyczny, i chodzi o to, żeby cały ten strumień obejmował uzwojenie wtórne.

Brak rdzenia powoduje więc, że do uzwojenia wtórnego dociera jedynie część pola magnetycznego, a jego pozostała część nie jest wykorzystywana, co finalnie ogranicza maksymalną przesyłaną moc. Dlatego z przekazywaniem energii na tej prostej zasadzie w rzeczywistości jest duży kłopot.

Szereg trudnych zagadnień

Brak rdzenia to jedno, ale występuje tu też szereg innych trudnych oraz bardzo trudnych problemów technicznych, których przynajmniej częściowe rozwiązanie trwało wiele lat. Próby przesyłania dużych ilości energii na odległość podejmowano co najmniej od czasów Nikoli Tesli.

Jednak osoby bardziej zorientowane technicznie wiedzą, dlaczego bezprzewodowe przesyłanie na odległość dużych ilości energii jest tak trudne. W szczególności osoby zajmujące się techniką radiową i antenami znają pojęcia tzw. (reaktancyjnego) pola bliskiego oraz (radiacyjnego) pola dalekiego. Są to niełatwe zagadnienia i właśnie dlatego dopiero kilkanaście lat temu przedstawiono funkcjonalne ładowarki bezprzewodowe do telefonów.

Standard Qi

Już od końca XIX (tak!) wieku przedstawiano propozycje systemów bezprzewodowego przekazywania znacznych ilości energii, jednak większość z nich pozostała na etapie eksperymentu. Właściwie dopiero w pierwszych latach XXI wieku powstało kilka praktycznie użytecznych systemów ładowarek tego typu.

Logotyp Qi

Logotyp Qi

Dziś bezapelacyjnie dominuje system i standard nazwany Qi. Standard Qi powstał w roku 2008 w konsorcjum WPC (ang. Wireless Power Consortium) – założoną w tym samym roku organizację koordynującą, która dziś zrzesza kilkaset firm, w tym 25 najbardziej znaczących, decydujących o rozwoju standardu, m.in. Apple, Asus, Google, LG Electronics, Samsung, Xiaomi i Sony.

Częstotliwość w standardzie Qi

W standardzie Qi nominalna częstotliwość pracy to około 140 kHz. Możliwe jest też takie dostosowanie częstotliwości pracy (105–205 kHz), żeby system pracował dokładnie na częstotliwości rezonansowej zastosowanych obwodów, co pozwala uzyskać maksymalną sprawność ładowarki.

Specyfikacja cewek w standardzie Qi

Według specyfikacji standardu Qi z 2017 roku nadajnik wyposażony jest w płaską, okrągłą cewkę o średnicy zewnętrznej 40 mm i wewnętrznej 19 mm. Zawiera ona w dwóch warstwach 20 zwojów, a dzięki ferromagnetycznemu ekranowi ma indukcyjność około 24 mikrohenrów. Dopuszcza się też inny kształt cewki. Cewka ta z szeregowym kondensatorem rezonansowym jest włączona w przekątną mostka H, a napięcie robocze obwodu wynosi około 50 V, a może sięgnąć nawet 200 V.

Wnętrze ładowarki w standardzie Qi – Nokia DT-900 (Nostrils.ua, CC BY-SA 4.0)

Wnętrze ładowarki w standardzie Qi – Nokia DT-900 (Nostrils.ua, CC BY-SA 4.0)

Z kolei w odbiorniku (np. telefonie) jest cewka o kształcie zbliżonym do prostokąta 44 × 30 mm, która ma tylko 14 zwojów i pracuje w równoległym obwodzie rezonansowym. Napięcie indukowane w tym obwodzie rezonansowym jest podawane na prostownik mostkowy, filtrowane i tak uzyskana energia jest przesyłana dalej, do akumulatora w odbiorniku.

System ten jest „inteligentny”, więc informacja o stanie odbiornika (stanie jego naładowania) może być przekazywana wstecz do nadajnika w ten sposób, że do obwodu rezonansowego w odbiorniku dołączana jest dodatkowa pojemność, co zmienia częstotliwość rezonansową obwodu odbiorczego, a fakt ten jest wykrywany przez nadajnik (ładowarkę).

Odległość od ładowarki w standardzie Qi

Co ważne dla użytkownika, typowa odległość między cewkami stacji bazowej i telefonu to około 5 mm. Według założeń energia jest przekazywana w znaczących ilościach nawet przy odległości równej 4 cm. Praktyczne doświadczenia wielu osób pokazują jednak, że te 4 cm to granica teoretyczna, a kłopoty z ładowaniem zaczynają się już przy mniejszej odległości między nadajnikiem i odbiornikiem.

Inna wersja ładowarki Qi – z 3 niezależnymi cewkami (Olli Niemitalo, CC0 1.0)

Inna wersja ładowarki Qi – z 3 niezależnymi cewkami (Olli Niemitalo, CC0 1.0)

Z czasem przedstawiono różne nowsze wersje standardu, o zwiększonej mocy i poprawionych innych właściwościach. Układ elektroniczny jest dość skomplikowany, ponieważ w standardzie Qi przewidziano nie tylko bezprzewodowe przekazywanie energii, ale także przekazywanie danych cyfrowych między ładowanym smartfonem a ładowarką, co umożliwia optymalizację procesu ładowania.

Schemat blokowy opisujący podstawy standardu Qi

Schemat blokowy opisujący podstawy standardu Qi

Moc ładowarek bezprzewodowych w standardzie Qi

Standard Qi opracowano w roku 2008. W podstawowej wersji moc przenoszona to 5 W – bardzo mało jak na dzisiejsze wymagania. Z czasem jego twórcy, czyli konsorcjum WBC, przewidzieli wersje o większej mocy, najpierw kilkudziesięciu watów, potem nawet 1000 W i więcej. Już nie do ładowania smartfonów, tylko do przekazywania energii do różnych urządzeń domowych i innych.

Zalety i wady ładowarek bezprzewodowych

Podstawową, właściwie jedyną zaletą ładowarek bezprzewodowych jest wygoda użytkowania. Okupione jest to jednak różnymi wadami. Ładowarki bezprzewodowe są droższe, ponieważ oprócz odpowiedniego, koniecznego w każdej ładowarce zasilacza sieciowego muszą też zawierać dodatkowy układ transmisji energii oraz informacji. To musi więcej kosztować.

Druga kwestia to maksymalna moc i związana z tym szybkość ładowania. Ładowarki bezprzewodowe mają znacząco mniejszą sprawność energetyczną niż klasyczne. Bezprzewodowe przekazywanie większej ilości mocy generalnie jest trudniejsze, a problem stanowi także szybkie zmniejszanie mocy przy niewielkim nawet oddaleniu smartfona od ładowarki.

Podczas korzystania z ładowarek bezprzewodowych kluczowe jest odpowiednie ułożenie telefonu na cewce

Podczas korzystania z ładowarek bezprzewodowych kluczowe jest odpowiednie ułożenie telefonu na cewce

Problemy techniczne można pokonać, ale pozostaje kluczowa kwestia ekonomiczna: czy klient gotów jest za to zapłacić? Okazuje się, że wygoda użytkowania to czynnik, który decyduje o tym, że ładowarki bezprzewodowe (i odpowiednie smartfony) stopniowo zdobywają popularność.

Inne możliwości transmisji energii

Bezprzewodowe przekazywanie energii można zrealizować nie tylko na zasadzie transformatora (indukcyjnej) z wykorzystaniem pola magnetycznego. Można również wykorzystać pole elektryczne i sprzężenie pojemnościowe. Jednak w przypadku pojemności jeszcze większe znaczenie ma odległość – a zwiększanie odległości między elementami systemu katastrofalnie zmniejsza przekazywaną moc.

W teorii bardziej realne i efektywne jest przekazywanie energii za pomocą pola elektromagnetycznego, czyli za pomocą fal elektromagnetycznych (fal radiowych). W rzeczywistości zagadnienie to jest bardzo skomplikowane. Teoretycznie można byłoby uznać, że ładowarka pracująca przy częstotliwościach rzędu 100–200 kHz to już zespół nadajnik + odbiornik radiowych fal długich. Jednak współczesne ładowarki, w tym oparte na standardzie Qi, pracują na zasadzie transformatora, a nie nadajnika fal radiowych.

W przypadku długich fal radiowych skupienie w wąską wiązkę jest praktycznie niemożliwe, ale możliwe jest skupienie fal wielokrotnie krótszych, w szczególności mikrofal, które zresztą powszechnie wykorzystujemy w kuchenkach mikrofalowych. A tym bardziej jeszcze krótszych fal świetlnych, które przecież też są falami elektromagnetycznymi.

Z kolei fale świetlne, zwłaszcza wytwarzane przez lasery, mogą nieść potężną energię, co wykorzystywane jest w prototypach nowoczesnej broni. Jak na razie nie ma jednak ani „ładowarek elektromagnetycznych – radiowych”, ani „ładowarek laserowych”, ani „ładowarek pojemnościowych” – co najwyżej ich laboratoryjne prototypy.

Jedną z metod przekazywania energii na odległość są również lasery

Jedną z metod przekazywania energii na odległość są również lasery

Ładowarki bezprzewodowe do samochodów?

Innym godnym wzmianki przykładem jest coraz częściej spotykana w naszych domach kuchenka indukcyjna, która działa na podobnej zasadzie co ładowarki bezprzewodowe i przekazuje bezprzewodowo moc rzędu kilowatów. W kuchence indukcyjnej zawarta jest duża „cewka nadawcza”, natomiast funkcję „cewki odbiorczej” pełni metalowy, ferromagnetyczny garnek.

Gdyby zamiast garnka zastosować cewkę odbiorczą, można by zbudować ładowarkę dużej mocy. Takie ładowarki już są, a przynajmniej istnieją ich prototypy. Stworzono bowiem pierwsze ładowarki bezprzewodowe do samochodów elektrycznych, które mogą przenosić moc rzędu kilowatów, nawet kilkuset. Zasada działania jest w sumie taka sama jak w małych ładowarkach do smartfonów, tylko system jest odpowiednio większy.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 66

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Piotr Górecki

Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?
Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?

Taśmy LED to popularny sposób oświetlenia blatu kuchennego lub np. stołu warsztatowego. Z tego poradnika dowiesz się, jaką taśmę LED…... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

bezprzewodowa, qi, transformator, ładowarka

Trwa ładowanie komentarzy...