Comment fonctionnent les chargeurs mobiles sans fil

Il y a des moments où il peut sembler que nous vivons dans le futur. Nous avons des appareils que nous pouvons tenir entre nos mains et utiliser pour appeler des informations stockées dans des ordinateurs dans d'énormes centres de données partout dans le monde. Nous pouvons regarder un film sur un appareil, passer à un autre gadget et reprendre là où nous nous sommes arrêtés. Nous pouvons automatiser nos maisons pour effectuer des tâches même si nous sommes à l'autre bout du monde.

Mais alors il y a toujours un appel au réveil. Où sont nos jetpacks ? Où sont nos voitures volantes ? Et qu'est-ce qu'on est censés faire avec tous ces satanés câbles ?

Cette dernière question devient de plus en plus pertinente à mesure que nous acquérons plus d'appareils mobiles. Smartphones , liseuses, tablettes et lecteurs de musique portables ne sont qu'un début. Et chacun de ces appareils nécessite de l'énergie pour fonctionner, ce qui signifie que tôt ou tard, vous devrez les recharger. C'est alors que ces câbles deviennent vraiment une irritation.

Vous devrez peut-être gérer des câbles propriétaires pour plusieurs appareils, ce qui signifie que chaque câble conviendra à un – et un seul – de vos gadgets. Si vous n'êtes pas chanceux dans la roulette de câble, vous devez continuer à saisir les câbles jusqu'à ce que vous trouviez le bon. Et si vous devez tout recharger d'un coup, vous avez une techno-pieuvre qui ne demande qu'à vous emmêler.

Mais il existe des moyens de transmettre de l'énergie - et de charger des appareils - sans câbles. Il existe aujourd'hui plusieurs produits sur le marché que vous pouvez utiliser pour recharger un appareil simplement en posant le gadget sur un chargeur. Puis, comme par magie, la puissance se transmet du pad à l'appareil. Mais ce n'est pas de la magie, c'est de la science !

1. De Tesla à aujourd'hui
2. Aimants, électricité et couplage inductif
3. Puissance d'émission
4. Connexions conductrices, transmissions radio et Wi-Fi ?
5. Note de l'auteur

Nikola Tesla était tout un personnage. C'était un génie excentrique dont les travaux à la fin du 19e et au début du 20e siècle ont révolutionné l'ingénierie électronique. Il a été un pionnier dans des domaines allant des transmissions radio au développement de l' électricité à courant alternatif . Tesla avait également pas mal de rivaux - son travail a fait peaufiner le nez de certains des plus grands inventeurs de l'époque, dont Thomas Edison et Guglielmo Marconi.

Tesla a déposé de nombreux brevets de son vivant. L'un de ceux-ci est apparu au bureau des brevets le 18 janvier 1902. Le titre du brevet était "Appareil de transmission d'énergie électrique". Dans le brevet, Tesla décrit un appareil qui, selon lui, pourrait transmettre de l'énergie électrique d'un conducteur à un autre sans avoir besoin de fils. En fin de compte, le travail de Tesla dans ce domaine a échoué en raison d'obstacles techniques et financiers. Mais le rêve n'est pas mort avec Nikola Tesla.

La transmission de puissance par ondes radio semblait prometteuse au début. Un bon exemple de la façon dont les ondes radio peuvent transmettre de l'énergie est une radio à cristal . Cette radio de base se compose d'un long fil servant d'antenne, d'une diode, d'un autre fil servant de fil de terre et d'un écouteur en cristal. En attachant les deux fils à chaque extrémité de la diode, en connectant le fil de terre à un piquet métallique dans le sol et en connectant l'écouteur en cristal aux extrémités de la diode, cette radio peut capter des ondes radio que vous pouvez réellement entendre, mais vous n'ont pas besoin d'une batterie ou d'une autre source d'alimentation pour les entendre - les ondes radio elles-mêmes fournissent l'énergie.

Le problème avec les transmissions par ondes radio, c'est qu'elles ne sont pas très efficaces. Les ondes radio se propagent au fur et à mesure qu'elles transmettent - seul un pourcentage relativement faible d'entre elles parviendrait à atteindre l'antenne du chargeur. Mais il existe d'autres méthodes pour envoyer de l'électricité sans fil, notamment par micro-ondes ou par magnétisme. L'approche de l'aimant a vraiment trouvé un écho chez les ingénieurs à la recherche d'un moyen de se débarrasser de ces cordons de charge supplémentaires.

Pionniers du sans fil

Tesla n'était pas le seul ingénieur avant-gardiste à envisager la transmission d'énergie sans fil. Daniel Watts Troy a déposé un brevet en 1903 pour une méthode de transmission de puissance sans l'utilisation de fils.

Pour comprendre le fonctionnement des chargeurs sans fil, nous devons examiner la relation entre le magnétisme et l'électricité . C'est une relation qui rend possibles des centaines de types d'appareils électroniques différents !

Prenons d'abord un électroaimant. Il est facile de fabriquer un électroaimant simple - tout ce dont vous avez besoin est une pile , du fil de cuivre isolé et un clou en fer. Enroulez le fil autour du clou en fer, en laissant suffisamment de fil à chaque extrémité pour se connecter à la batterie. Assurez-vous que chaque fois que vous enroulez autour de l'ongle, vous allez dans la même direction. Plus vous faites de bobines autour du clou, plus votre électroaimant sera puissant.

Une fois que vous avez enveloppé votre ongle dans du fil isolé, vous pouvez connecter les deux extrémités du fil aux bornes d'une batterie. L'électricité circule à travers le fil enroulé, générant un champ magnétique le long du clou. Vous pouvez utiliser le clou pour ramasser d'autres clous par magnétisme. Si vous commutez les extrémités du fil sur les bornes opposées de la batterie, vous inverserez la polarité de votre électroaimant - ce qui était l'extrémité nord de l'aimant devient l'extrémité sud et vice versa.

Si vous assemblez une deuxième bobine de fil et que vous la placez près de la première, vous pouvez utiliser le champ magnétique de votre électroaimant pour créer un flux d'électrons dans la deuxième bobine. Si vous accrochez cette deuxième bobine de fil à un voltmètre, vous pouvez réellement voir l'aiguille ou l'affichage changer chaque fois que vous connectez ou déconnectez les fils de la batterie.

C'est parce que l'exposition d'une bobine de fil à un champ magnétique changeant peut induire l'électricité à circuler à travers ce fil. La clé est que le champ magnétique doit changer pour que l'électricité continue de circuler - un champ magnétique stable ne fonctionnera pas comme un inducteur.

Une batterie fournit de l'électricité en courant continu -- l'électricité circule toujours dans le même sens. Mais si vous connectez un électromagnétique à un courant alternatif - un circuit dans lequel l'électricité circule d'abord dans un sens, puis dans l'autre plusieurs fois par seconde - vous alternez la polarité de l'électroaimant en fonction des changements de sens du courant. Cela crée un champ magnétique en constante évolution - la condition parfaite pour induire de l'électricité.

Signaux croisés

Le champ magnétique d'un électroaimant dépend de la direction du courant électrique. Si vous deviez enrouler un fil autour d'un clou et changer la direction du courant de temps en temps, vous affaibliriez le champ magnétique car les signaux opposés s'annuleraient.

La plupart des solutions de recharge mobile sans fil reposent sur un couplage inductif . Voici une approche typique :

La station de charge prend la forme d'un tapis ou d'une autre surface plane. À l'intérieur du tapis se trouvent une ou plusieurs bobines de couplage inductives. Le tapis lui-même est câblé - vous devez le brancher sur une prise murale. Étant donné que l' électricité qui arrive dans votre maison est un courant alternatif, le tapis fournit l'électricité dont les bobines ont besoin pour générer un champ magnétique changeant.

Vos appareils mobiles ont besoin d'un étui ou d'un accessoire spécial pour profiter de ce champ magnétique. Certains fabricants fabriquent des appareils avec des boîtiers et des composants électroniques qui facilitent le couplage inductif - le Palm Pre avait cette fonctionnalité. Mais la plupart des fabricants fabriquent des équipements qui nécessitent encore des câbles ou des fils pour se recharger. Pour ces appareils, vous devrez peut-être utiliser des manchons spéciaux - chaque manchon s'adapte à un modèle particulier d'appareil. Ou vous devrez peut-être connecter un adaptateur qui se branche sur le port de charge de votre appareil mobile. Le manchon ou l'adaptateur aura la bobine correspondante aux bobines d'inductance de la surface.

Que votre appareil prenne en charge nativement le couplage inductif ou nécessite un manchon ou un adaptateur, votre prochaine étape consiste à placer l'appareil sur la surface de charge. Les bobines d'inductance à l'intérieur du tapis génèrent le champ magnétique qui induit de l'électricité à l'intérieur de votre appareil, manchon ou adaptateur. Cette électricité recharge ensuite la batterie de votre appareil. Parce qu'il n'y a pas de courant continu entre le tapis et l'appareil, il est parfaitement sûr de prendre un gadget lorsque vous êtes en déplacement.

Le couplage inductif est utile mais il y a quelques inconvénients. Le plus gros inconvénient est qu'il ne fonctionne pas sur de grandes distances. Placer un appareil un peu trop loin d'un côté peut signifier que vous ne rechargez pas réellement la batterie. Certaines surfaces de charge sans fil tentent de compenser cela en indiquant où un appareil doit s'adapter sur la surface ou en créant des zones surélevées dans lesquelles les appareils s'intègrent pour s'assurer que les bobines sont suffisamment proches les unes des autres pour fonctionner.

Bien que le couplage inductif soit l'approche la plus courante des chargeurs sans fil, ce n'est pas le seul jeu en ville. Regardons quelques alternatives à l'induction.

Another approach to wirelessly recharging mobile devices uses a more direct route. Conductive recharging mats create a direct electric circuit between a mobile device and a charging surface. The charging device's surface has strips of conductive metal on it. When a device with corresponding electrical contacts touches these strips of metal, electricity flows into the device.

For this to work, the device must have the contacts incorporated into its case or a special sleeve that has the contacts on it. You snap your device into the appropriate sleeve -- each model and type of device needs its own -- and place the sleeved device on the right part of the surface, ensuring contact. This creates a circuit and charges your device.

Vous devez vous assurer que les contacts sur le manchon correspondent aux bandes conductrices sur la surface des chargeurs ou vous ne créerez pas de circuit. Mais les bandes conductrices peuvent être plus efficaces que le couplage inductif, qui, selon le Wireless Power Consortium, se situe en moyenne entre 50 et 70 % d'efficacité [source : Higginbotham ]. Cela signifie qu'au moins 30 % de la puissance nécessaire pour faire fonctionner la station de charge est gaspillée, même dans un système de couplage inductif efficace.

Bien que la transmission radio de l'énergie ne soit pas efficace, il est possible de concevoir une station de charge qui convertit les ondes radiofréquences en électricité à courant continu. Mais à moins d'avoir une grande antenne et une source de diffusion particulièrement puissante, vous ne récolterez pas beaucoup d'électricité à partir des signaux ambiants autour de vous.

En 2010, RCA a annoncé que la société développait une station de charge sans fil capable d'exploiter les signaux WiFi et de les convertir en électricité. Si un tel appareil pouvait fonctionner, il pourrait être une excellente ressource dans n'importe quel endroit disposant d'un point d'accès WiFi. Mais mathématiquement, un tel dispositif n'est pas pratique. Les routeurs WiFi n'émettent qu'une infime quantité d'énergie - souvent environ un dixième de watt. Un convertisseur ne capterait qu'une fraction de cette énergie, ce qui signifie que charger quelque chose comme une batterie une seule fois pourrait prendre des décennies si vous dépendez entièrement des signaux WiFi pour fournir l'énergie.

Pourquoi seulement une infime fraction ? C'est parce que les émissions d'énergie obéissent à la loi du carré inverse . Il s'agit d'une loi qui stipule que toute source ponctuelle qui se propage uniformément dans toutes les directions - comme une onde radio - diminuera d'intensité par rapport à la distance de la source. Lorsque vous commencez avec une émission d'énergie de faible puissance, puis que vous vous éloignez de la source, l'intensité diminue rapidement.

Avec autant d'options pour les chargeurs sans fil, nous sommes peut-être sur le point de dire adieu aux câbles emmêlés et aux prises propriétaires - et bon débarras !

J'ai vu ma première borne de recharge sans fil lors d'une visite au CES. J'ai pensé que c'était une excellente idée. Mais il y avait plusieurs inconvénients. Beaucoup exigeaient que vous mettiez vos appareils électroniques dans une pochette encombrante qui doublait presque le poids de l'appareil - et vous étiez censé garder la pochette tout le temps. Si vous ne placez pas correctement le gadget sur le chargeur, votre appareil ne se chargera pas. Et il fallait encore brancher la station de charge au mur. Mais même avec les inconvénients, la promesse d'un téléphone sans câble était très attrayante. Je souhaite seulement que les téléphones comme le Palm Pre aient eu un plus grand impact afin que nous voyions la recharge sans fil devenir plus une norme sur tous les appareils.

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Sources