Q&A – ładowanie bezprzewodowe

Projektujesz elektronikę? Zarezerwuj 4 października 2018 roku na największą w Polsce konferencję dedykowaną projektantom, Evertiq Expo Kraków 2018. Przeszło 60 producentów i dystrybutorów komponentów do Twojej dyspozycji, ciekawe wykłady i świetna, twórcza atmosfera. Jesteś zaproszony, wstęp wolny: kliknij po szczegóły. © Evertiq

1. Jak ewoluują technologie ładowania bezprzewodowego? Jednym z ważniejszych kryteriów systemu ładowania bezprzewodowego jest to, by zapewnić efektywny transfer nawet w trudniejszych warunkach przesyłowych. Równie ważne jest też to, aby zachować jak najwyższe bezpieczeństwo; nie dopuścić do przegrzania lub przeciążeń elektrycznych. Jest to szczególnie istotne, gdy wymagania co do mocy wyjściowej są małe. Przykładem może być sytuacja, gdy bateria jest już niemal naładowana. Wymaga się wtedy niewielkiej ilości energii w cewce odbiorczej. Gdy jednak będzie jej dużo, urządzenie odbiorcze może zachowywać się niewłaściwe. Może dojść do przepięć lub uszkodzenia ogniw. Może się też zdarzyć sytuacja, że energia nadmiarowa zostanie rozproszona w postaci ciepła. A gdy będzie go zbyt wiele, uszkodzeniu ulec mogą jeszcze inne elementy. Oczywiście istnieje kilka metod radzenia sobie z tym problemem. Do najprostszych można zaliczyć stosowanie diody Zenera, by odciąć nadmiar i stłumić napięcie. Rozwiązanie to jednak nie jest małe i generuje ciepło. Dużo lepiej jest wymusić na urządzeniu nadawczym, by zredukował ilość przesyłanej energii. To jedno z głównych założeń standardu Qi, czyli ciągła komunikacja odbiornika z nadajnikiem, by na bieżąco korygować limity oraz ilość energii jaka trafia do cewki nadawczej, a tym samym do odbiorczej. W tym właśnie kierunku obecnie się podąża. 2. Gdzie najczęściej wykorzystuje się technologie ładowania bezprzewodowego? Wiele urządzeń jako główne źródło zasilania wykorzystuje akumulatory. Większość z nich może dzięki temu poszczycić się mianem mobilnych. Jednak nie wszystkie takowymi są. Przykładem mogą być sensory bezprzewodowe, przenośny sprzęt medyczny, elementy ruchome lub wirujące niektórych urządzeń (np. czujniki ciśnienia w oponach), itd. Wiele tego typu urządzeń posiada ponadto dodatkowe ograniczenia, które uniemożliwiają ich standardowe ładowanie, z wykorzystaniem gniazdek i kabli. Przyczyn może być kilka, np. umieszczenie złącza może nie być możliwe, lub urządzenie pracuje w bardzo specyficznych warunkach, jak np. środowisko toksyczne lub chemiczne, albo po prostu wymaga się by pozostało sterylne. Czasem też urządzenie może być po prostu zbyt małe, by opłacalne było umieszczanie tam specjalnych, dodatkowych gniazd ładowania. Efektem powyższych było zaadoptowanie funkcji ładowania bezprzewodowego, by możliwe było ładowanie akumulatorów wielu urządzeń, których normalnie ładować by się nie dało, lub byłoby to trudne albo nieopłacalne w tradycyjny sposób. Poprawiło to także trwałość, wytrzymałość i żywotność wielu aplikacji. Ta technologia oczywiście z czasem została wcielona do wielu innych urządzeń, w tym też konsumenckich, z których korzystamy na co dzień, jak właśnie smartfony, przenośne nawigacje GPS, aparaty słuchowe, urządzenia noszone, itd. Technologia ta zaczyna także trafiać do urządzeń w dużo większej skali, jak np. do motoryzacji, gdzie w ten sposób ładowane mogłyby być samochody. Nad podobnym konceptem pracuje już BWM. 3. Jaką rolę odgrywają tu elementy półprzewodnikowe? Zgodnie z prawem Faradaya, tam gdzie płynie prąd zmienny, tworzy się też zmienne pole magnetyczne, a te z kolei indukuje prąd. Siła pola magnetycznego jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu, płynącego przez cewkę (nadawczą). Gdy druga z cewek (odbiorcza), będzie wystarczająco blisko i będzie posiadała odpowiednie cechy, zacznie ona współgrać z cewką nadawczą indukując prąd. Jego wielkość również będzie wprost proporcjonalna, lecz do siły pola magnetycznego. Parametry, zarówno pola magnetycznego jak i prądu, możemy regulować, min. odpowiednio dobierając komponenty półprzewodnikowe, wchodzące w skład tej części aplikacji, skupionej wokół cewek: nadawczej i odbiorczej. Ważna jest również częstotliwość. Najistotniejszymi parametrami są tu jednak te, którymi pochwalić się mogą same cewki (a konkretnie obwód LC). Na wydajność bezprzewodowego transferu energii ma wpływ wiele czynników. Kluczowe jest jednak, by efektywność była najwyższa, a tym samym by akumulator otrzymał jak najwięcej energii, którą podsyła mu nadajnik. Wielkość strat zależy więc od wielu czynników, zarówno elektrycznych, jak i nieelektrycznych (np. odległość cewek). W przypadku czynników elektrycznych, to właśnie komponenty wchodzące w skład takiego toru transferowego, mają duże znaczenie, przede wszystkim od samych cewek, ich impedancji własnej oraz wzajemnej. Cewki powinny dobrze ze sobą współgrać, być sprzężone. Również pozostałe elementy wchodzące w skład systemu mają znaczenie: regulatory/kontrolery, kondensatory, itp. Czy i jak ewoluuje ta technologia? Technologia ta oczywiście się rozwija. Staje się coraz powszechniejsza, między innymi dzięki wejściu na rynek konsumencki. Jednak jej implementacja nie jest prosta. Z pomocą przychodzi jednak wiele firm, o czym niejednokrotnie pisaliśmy. Dobrym przykładem wsparcia w implementacji tych technologii są komponenty, które biorą na siebie większą część zadania, związanego z odpowiednim sterowaniem cewkami, a także obsługą protokołów danego standardu, jak np. Qi. Na rynku znaleźć można coraz większą liczbę takich układów scalonych. Przykładem niech będzie np. układ LTC4123 od Linear Technology. To scalony odbiornik obsługujący moce do 30 mW, potrafiący ładować akumulatory NiMH (np. serii Varta ACCU+). Potrafi on pracować samodzielnie, umiejętnie przekształcając energię z cewki (układu LC), a więc prąd zmienny w stały, o odpowiednich parametrach dla ładowania akumulatora. Jest to układ, który ma pomóc w tworzeniu szczelnych odbiorników, umożliwiając naładowanie akumulatorów bez konieczności używania gniazdek, lub wymiany baterii, by dana aplikacja mogła sprawnie funkcjonować. Układ ten jest w stanie także wykorzystywać dodatkowe baterie Zn-Air (cynkowo-powietrzne), umożliwiając na jednoczesne korzystanie z obu źródeł (Zn-Air i NiMH), płynnie przełączając się pomiędzy nimi. Oczywiście układ ten jest w stanie także jednocześnie zasilać pozostałe komponenty urządzenia, jak np. dedykowane ASIC pod aparaty słuchowe. Na wyjściu otrzymać możemy napięcie z przedziału od 2.2 do 5 V, zależnie od potrzeb. Prąd ładowania może być programowalny, aż do 25 mA. Nie zabrakło tu także stosownych elementów zabezpieczających, jak np. ochrona przed przegrzaniem. Są tu też odpowiednie układy kompensujące. W przypadku wykrycia zagrożenia, procedura ładowania zostaje wstrzymana. Sam układ oferowany jest w niewielkiej obudowie DFN o wymiarach 2 na 2 mm.