Ładowanie bezprzewodowe jest dziś kojarzone głównie z flagowymi smartfonami. Producenci w ostatnich latach położyli duży nacisk na rozwój tego rozwiązania w urządzeniach mobilnych, dzięki czemu dziś niektóre urządzenia potrafią ładować się z mocą nawet kilkudziesięciu watów. Nie jest to jednak żadna innowacyjna technologia, nieświadomie mamy z nią kontakt przez cały czas.
Indukcja elektromagnetyczna – podstawa ładowania bezprzewodowego
Cofnijmy się do dość zamierzchłych czasów, a mianowicie do roku 1831. W tym samym roku upada powstanie listopadowe, zostaje wynaleziony silnik elektryczny, a Michael Faraday na podstawie własnych doświadczeń formułuje prawo indukcji elektromagnetycznej. Zauważył on, że pole magnetyczne może wywołać przepływ prądu w obwodzie nie podłączonym do zasilania. Mówiąc bardzo prostym językiem – po podłączeniu zasilania do obwodu (niech będzie to cewka) generowane jest pole magnetyczne. Jeżeli w zasięgu tego pola umieścimy inną cewkę, to na jej końcach pojawi się różnica potencjałów, którą nazywamy prądem indukcyjnym. Jest tutaj mały haczyk – pole magnetyczne pomiędzy cewkami musi się zmieniać. Tutaj mamy dwie możliwości. Możemy wywołać ruch pomiędzy źródłem pola magnetycznego, a cewką indukującą prąd. Jeśli będzie to ruch obrotowy, to na powstającą w ten sposób energię możemy nazywać siłą elekromagnetyczną rotacji. Jest także druga opcja, czyli wpływanie na pole magnetyczne za pomocą dostarczanego do pierwszej cewki prądu. Jeśli podłączymy do niej prąd przemienny, to uzyskamy siłę elektromagnetyczną transformacji.
Nazwa może kojarzyć się ze słowem „transformator” i jest to jak najbardziej słuszne skojarzenie. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest powszechnie wykorzystywane w transformatorach, gdzie mamy do czynienia z dwiema nieruchomymi cewkami. Podłączone do uzwojenia pierwotnego zasilanie generuje pole magnetyczne, za pomocą którego w odizolowanym uzwojeniu wtórnym pojawia się energia elektryczna. I tu docieramy do głównego tematu, a mianowicie ładowania bezprzewodowego. W tym rozwiązaniu mamy do czynienia z dwiema cewkami – jedna w ładowarce, druga indukująca prąd w samym telefonie. Oczywiście ładowanie bezprzewodowe to nie tylko cewki, ale o tym później. Na koniec warto jeszcze dodać, że tematem bezprzewodowego przesyłania energii zajmował się także Nikola Tesla. Źródła historyczne wskazują, że robił on pokazy, podczas których np. zaświecał żarówkę, która nie była fizycznie podłączona do zasilania. Tego typu pokazy w tamtym czasie robiły na wszystkich piorunujące wrażenie.
Co to jest Qi? Czy istnieją inne standardy?
Qi to standard szybkiego ładowania stworzony przez Wireless Power Consortium. Jest to obecnie najpopularniejszy standard, wspierany przez największych gigantów z branży technologicznej, takich jak Apple, Philips, MediaTek, NXP, Google, Samsung, LG i Huawei. Specyfikacja w wersji 1.0 została opublikowana w 2010 roku, przewidywała jednak ładowanie o mocy maksymalnej do 5 watów. Obecnie najszybsze ładowarki osiągają moce dochodzące do 40 W.
W chwili obecnej w zasadzie nie ma już standardów innych niż Qi, możemy spotkać co najwyżej rozwinięcia standardu Qi, które są w pełni kompatybilne z bazową technologią. Kilka lat temu pewien przełom zapowiadało Apple, prezentując ładowarkę AirPower. Z założenia była ona rozwinięciem standardu Qi i umożliwiała jednoczesne oraz niezależne ładowanie trzech urządzeń. Niestety, Apple nie zdołało stworzyć gotowego produktu, AirPower umarł na etapie prototypu.
Czy mój telefon obsługuje Qi? Czy da się dodać ładowanie bezprzewodowe?
Ładowanie bezprzewodowe nie jest nową technologią, jednak mimo wszystko wyposażone w nią są głównie flagowe smartfony, niektóre smartwatche i słuchawki typu TWS. Dużo lepiej jest w kwestii ładowarek – nie ma problemów z dostępnością, a ich cena nie zwala z nóg. Kupując telefon warto jednak sprawdzić w specyfikacji, czy jest on wyposażony w technologię bezprzewodowego ładowania, ponieważ może jej zabraknąć nawet w urządzeniu z górnej półki.
Czy do telefonu, który fabrycznie nie jest wyposażony w bezprzewodowe ładowanie możemy sami dodać taką technologię? O dziwo jest to teoretycznie możliwe, w sprzedaży są dostępne odpowiednie adaptery. Tego typu rozwiązania mają jednak parę wad. Maksymalny prąd ładowania oferowany przez takie adaptery wynosi co najwyżej 1 A. Musimy liczyć się z koniecznością korzystania z etui, które zasłoni niezbyt estetyczny adapter, mogą także pojawić się problemy ze spasowaniem wspomnianego etui. Na koniec trzeba wspomnieć o tym, że adapter zablokuje możliwość korzystania z portu USB.
Co się dzieje podczas ładowania?
W celu przeprowadzenia pewnego eksperymentu zdecydowałem się rozkleić omawiany wcześniej adapter Qi. Jego konstrukcja okazała się skrajnie prosta – urządzenie składa się z dużej cewki, elektroniki sterującej i gniazda USB z wyprowadzoną taśmą flex. Tak jak już wspominałem, aby doszło do zjawiska indukcji energii konieczne jest stałe zmienianie pola magnetycznego np. za pomocą prądu przemiennego podłączonego do cewki nadawczej. Oznaczałoby to, że na cewce odbiorczej również pojawi się prąd przemienny, tak samo jak na uzwojeniu wtórnym transformatora. Najprostszym sposobem na zweryfikowanie tej teorii jest przeprowadzenie doświadczenia.
Do eksperymentu wykorzystałem testowany w przeszłości power bank Maxcom MA8000 MAX wyposażony w ładowarkę indukcyjną. Do wyprowadzeń cewki adaptera podłączyłem oscyloskop, dzięki czemu mogłem podejrzeć przebieg produkowanego prądu. Jak widać jest to prąd przemienny o częstotliwości 138 kHz i napięciu około 19 V. W pomiarach może być pewne przekłamanie wynikające z niedoskonałości mojego oscyloskopu, który pracował blisko granicy swoich możliwości. Zgodnie z dokumentacją standardu Qi, częstotliwość musi mieścić się w przedziale od 87 do 205 kHz, także mimo wszystko moje pomiary mieszczą się w normie. Oczywiście prądem o podanych parametrach nie naładujemy telefonu, nie radziłbym nawet próbować. Po drodze mamy jeszcze elektronikę sterującą, która w tym wypadku musi pełnić rolę mostka prostowniczego (w celu zamienienia prądu przemiennego na stały) oraz stabilizatora napięcia. To już w zasadzie wszystko, prąd z elektroniki sterującej trafia do smartfona. W przypadku odbiornika ładowania indukcyjnego fabrycznie zintegrowanego ze smartfonem nie znajdziemy elektroniki sterującej, ponieważ jest ona scalona na jednym laminacie z płytą główną urządzenia.
Jaka będzie przyszłość?
Ładowanie bezprzewodowe to przede wszystkim fizyka, a jej nie da się oszukać. Na pewno z czasem wzrośnie moc ładowarek, być może uda się zrealizować coś na wzór ładowarki AirPower. Nie oczekiwałbym jednak większej rewolucji w kwestii np. zasięgu ładowarek i bezprzewodowego zasilania urządzeń na większym obszarze. Istnieją pewne ograniczenia, których nie da się przeskoczyć. Być może jednak w przyszłości będziemy mogli zapomnieć o kablach, a elektronika nie będzie nawet wyposażana w porty USB ze względu na dużą popularyzację ładowania bezprzewodowego. Rzekomo takie ambicje ma Apple, jednak nie wiemy co z tego wyjdzie.
Zobacz też: