Come funzionano i caricatori mobili wireless

Ci sono momenti in cui può sembrare che stiamo vivendo nel futuro. Abbiamo dispositivi che possiamo tenere in mano e utilizzare per richiamare informazioni archiviate nei computer in enormi data center in tutto il mondo. Possiamo guardare un film su un dispositivo, passare a un altro gadget e riprendere da dove eravamo rimasti. Possiamo automatizzare le nostre case per svolgere compiti anche se siamo dall'altra parte del mondo.

Ma poi c'è sempre un campanello d'allarme. Dove sono i nostri jetpack? Dove sono le nostre macchine volanti? E cosa diavolo dovremmo fare con tutti questi maledetti cavi?

Quest'ultima domanda diventa sempre più rilevante man mano che acquisiamo più dispositivi mobili. Smartphone , e-reader, tablet e lettori musicali portatili sono solo l'inizio. E ciascuno di questi dispositivi richiede alimentazione per funzionare, il che significa che prima o poi dovrai caricarli. È allora che quei cavi diventano davvero irritanti.

Potrebbe essere necessario gestire cavi proprietari per più dispositivi, il che significa che ogni cavo si adatta a uno, e solo a uno, dei tuoi gadget. Se non sei fortunato nella roulette via cavo, devi continuare ad afferrare i cavi finché non trovi quello giusto. E se devi ricaricare tutto in una volta, hai un tecno-polpo che aspetta solo di aggrovigliarti.

Ma ci sono modi per trasmettere energia - e caricare i dispositivi - senza cavi. Ci sono diversi prodotti oggi sul mercato che puoi utilizzare per ricaricare un dispositivo semplicemente appoggiando il gadget su un pad di ricarica. Poi, come per magia, la potenza si trasmette dal pad al dispositivo. Ma non è magia: è scienza!

1. Da Tesla ad oggi
2. Magneti, elettricità e accoppiamento induttivo
3. Potenza di trasmissione
4. Connessioni conduttive, Trasmissioni Radio e Wi-Fi?
5. Nota dell'autore

Nikola Tesla era un bel personaggio. Era un genio eccentrico il cui lavoro tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo ha rivoluzionato l'ingegneria elettronica. È stato un pioniere in campi che vanno dalle trasmissioni radio allo sviluppo dell'elettricità a corrente alternata . Tesla aveva anche parecchi rivali: il suo lavoro ha stuzzicato il naso di alcuni dei più grandi inventori dell'epoca, tra cui Thomas Edison e Guglielmo Marconi.

Tesla ha depositato molti brevetti durante la sua vita. Uno di questi apparve nell'ufficio brevetti il ​​18 gennaio 1902. Il titolo del brevetto era "Apparato per la trasmissione di energia elettrica". Nel brevetto, Tesla descrive un dispositivo che secondo lui poteva trasmettere energia elettrica da un conduttore all'altro senza bisogno di fili. In definitiva, il lavoro di Tesla in questo campo è fallito a causa di ostacoli ingegneristici e finanziari. Ma il sogno non è morto con Nikola Tesla.

La trasmissione di potenza attraverso le onde radio all'inizio sembrava promettente. Un buon esempio di come le onde radio possono trasmettere potenza è una radio a cristalli . Questa radio di base è composta da un lungo filo come antenna, un diodo, un altro filo che funge da filo di terra e un auricolare di cristallo. Attaccando i due fili a entrambe le estremità del diodo, collegando il filo di terra a un picchetto di metallo nel terreno e collegando l'auricolare di cristallo alle estremità del diodo, questa radio può captare onde radio che puoi effettivamente sentire, ma tu non è necessaria una batteria o un'altra fonte di alimentazione per ascoltarli: le onde radio stesse forniscono l'energia.

Il problema con le trasmissioni di onde radio è che non sono molto efficienti. Le onde radio si diffondono mentre trasmettono: solo una percentuale relativamente piccola di esse riuscirebbe a raggiungere l'antenna per il dispositivo di ricarica. Ma ci sono altri metodi per inviare elettricità in modalità wireless, anche tramite microonde o magnetismo. L'approccio del magnete ha davvero risuonato con gli ingegneri che cercavano un modo per sbarazzarsi di quei cavi di ricarica extra.

Pionieri senza fili

Tesla non è stato l'unico ingegnere lungimirante a considerare la trasmissione di potenza wireless. Daniel Watts Troy ha depositato un brevetto nel 1903 per un metodo di trasmissione di potenza senza l'uso di cavi.

Per capire come funzionano i caricabatterie wireless, dobbiamo dare un'occhiata a come il magnetismo e l'elettricità sono correlati. È una relazione che rende possibili centinaia di diversi tipi di dispositivi elettronici!

Per prima cosa, prendiamo un elettromagnete. È facile realizzare un semplice elettromagnete: tutto ciò che serve è una batteria , del filo di rame isolato e un chiodo di ferro. Avvolgi il filo attorno al chiodo di ferro, lasciando abbastanza filo su entrambe le estremità per collegarlo alla batteria. Assicurati ogni volta che avvolgi l'unghia di andare nella stessa direzione. Più bobine crei attorno all'unghia, più forte sarà il tuo elettromagnete.

Dopo aver avvolto l'unghia in un filo isolato, puoi collegare le due estremità del filo ai terminali di una batteria. L'elettricità scorre attraverso il filo a spirale, generando un campo magnetico lungo il chiodo. Puoi usare l'unghia per raccogliere altri chiodi attraverso il magnetismo. Se cambi le estremità del filo sui terminali opposti della batteria, inverti la polarità del tuo elettromagnete: quella che era l'estremità nord del magnete diventa l'estremità sud e viceversa.

Se si assembla una seconda bobina di filo e la si posiziona vicino alla prima, è possibile utilizzare il campo magnetico dell'elettromagnete per creare un flusso di elettroni nella seconda bobina. Se colleghi quella seconda bobina di filo a un voltmetro, puoi effettivamente vedere l'ago o la lettura cambiare ogni volta che colleghi o scolleghi i fili dalla batteria.

Questo perché l'esposizione di una bobina di filo a un campo magnetico variabile può indurre l'elettricità a fluire attraverso quel filo. La chiave è che il campo magnetico deve cambiare per mantenere il flusso di elettricità: un campo magnetico stabile non funzionerà come induttore.

Una batteria fornisce elettricità in corrente continua: l'elettricità scorre sempre nella stessa direzione. Ma se colleghi un elettromagnete a una corrente alternata - un circuito in cui l'elettricità scorre prima in una direzione e poi nell'altra molte volte al secondo - alterni la polarità dell'elettromagnete nel tempo con i cambiamenti nella direzione della corrente. Ciò crea un campo magnetico in continua evoluzione, la condizione perfetta per indurre elettricità.

Segnali incrociati

Il campo magnetico di un elettromagnete dipende dalla direzione della corrente elettrica. Se dovessi avvolgere un filo attorno a un chiodo e cambiare la direzione della corrente di tanto in tanto, indeboliresti il ​​campo magnetico poiché i segnali opposti si annullano a vicenda.

La maggior parte delle soluzioni di ricarica mobile wireless si basa sull'accoppiamento induttivo . Ecco un approccio tipico:

La stazione di ricarica assume la forma di un tappetino o di un'altra superficie piana. All'interno del tappeto sono presenti una o più bobine di accoppiamento induttivo. Il tappetino stesso è cablato: devi collegarlo a una presa a muro. Poiché l' elettricità che arriva a casa tua è corrente alternata, il tappetino fornisce l'elettricità di cui le bobine hanno bisogno per generare un campo magnetico variabile.

I tuoi dispositivi mobili necessitano di una custodia o di un accessorio speciale per sfruttare questo campo magnetico. Alcuni produttori realizzano dispositivi con custodie ed elettronica che facilitano l'accoppiamento induttivo: il Palm Pre aveva questa caratteristica. Ma la maggior parte dei produttori produce apparecchiature che richiedono ancora cavi o fili per la ricarica. Per questi dispositivi, potrebbe essere necessario utilizzare custodie speciali: ciascuna custodia si adatta a un particolare modello di dispositivo. Oppure potresti dover collegare un adattatore che si collega alla porta di ricarica del tuo dispositivo mobile. Il manicotto o l'adattatore avrà la bobina corrispondente alle bobine dell'induttore della superficie.

Indipendentemente dal fatto che il tuo dispositivo supporti nativamente l'accoppiamento induttivo o richieda una custodia o un adattatore, il passaggio successivo è posizionare il dispositivo sulla superficie di ricarica. Le bobine dell'induttore all'interno del tappetino generano il campo magnetico che induce l'elettricità all'interno del dispositivo, della custodia o dell'adattatore. Questa elettricità ricarica quindi la batteria del tuo dispositivo. Poiché non c'è passaggio di corrente continua tra il tappetino e il dispositivo, è perfettamente sicuro raccogliere un gadget quando sei in movimento.

L'accoppiamento induttivo è utile ma ci sono alcuni aspetti negativi. Lo svantaggio più grande è che non funziona su grandi distanze. Posizionare un dispositivo un po' troppo lontano da un lato potrebbe significare che non stai effettivamente ricaricando la batteria. Alcune superfici di ricarica wireless cercano di compensare ciò delineando dove un dispositivo dovrebbe adattarsi alla superficie o creando aree rialzate in cui i dispositivi si adattano all'interno per assicurarsi che le bobine siano sufficientemente vicine tra loro per funzionare.

Sebbene l'accoppiamento induttivo sia l'approccio più comune ai caricabatterie wireless, non è l'unico gioco in città. Diamo un'occhiata ad alcune alternative all'induzione.

Un altro approccio alla ricarica wireless dei dispositivi mobili utilizza un percorso più diretto. I tappetini di ricarica conduttivi creano un circuito elettrico diretto tra un dispositivo mobile e una superficie di ricarica. La superficie del dispositivo di ricarica presenta strisce di metallo conduttivo. Quando un dispositivo con contatti elettrici corrispondenti tocca queste strisce di metallo, l'elettricità fluisce nel dispositivo.

Affinché ciò funzioni, il dispositivo deve avere i contatti incorporati nella sua custodia o uno speciale manicotto che ha i contatti su di esso. Inserisci il tuo dispositivo nella custodia appropriata - ogni modello e tipo di dispositivo ha bisogno del suo - e posiziona il dispositivo con la custodia sulla parte destra della superficie, assicurando il contatto. Questo crea un circuito e carica il tuo dispositivo.

Devi assicurarti che i contatti sulla manica corrispondano alle strisce conduttive sulla superficie del caricabatterie o non creerai un circuito. Ma le strisce conduttive possono essere più efficienti dell'accoppiamento induttivo, che secondo il Wireless Power Consortium ha un'efficienza media tra il 50 e il 70 percento [fonte: Higginbotham ]. Ciò significa che almeno il 30 percento dell'energia necessaria per far funzionare la stazione di ricarica va sprecata, anche in un efficiente sistema di accoppiamento induttivo.

Sebbene la trasmissione radio di energia non sia efficiente, è possibile progettare una stazione di ricarica che converta le onde a radiofrequenza in elettricità in corrente continua. Ma a meno che tu non abbia una grande antenna e una sorgente di trasmissione particolarmente potente, non raccoglierai molta elettricità dai segnali ambientali intorno a te.

Nel 2010, RCA ha annunciato che la società stava sviluppando una stazione di ricarica wireless in grado di sfruttare i segnali WiFi e convertirli in elettricità. Se un dispositivo del genere potesse funzionare, potrebbe essere un'ottima risorsa in qualsiasi luogo dotato di un hotspot Wi-Fi. Ma matematicamente, un tale dispositivo non è pratico. I router WiFi emettono solo una piccola quantità di energia, spesso circa un decimo di watt. Un convertitore catturerebbe solo una frazione di quell'energia, il che significa che caricare qualcosa come una batteria solo una volta potrebbe richiedere decenni se dipendi interamente dai segnali WiFi per fornire l'alimentazione.

Perché solo una piccola frazione? È perché le emissioni di energia obbediscono alla legge del quadrato inverso . Questa è una legge che afferma che qualsiasi sorgente puntiforme che si diffonde uniformemente in tutte le direzioni, come un'onda radio, ridurrà di intensità rispetto alla distanza dalla sorgente. Quando inizi con un'emissione di energia a bassa potenza e poi ti allontani dalla sorgente, l'intensità diminuisce rapidamente.

Con così tante opzioni per i caricabatterie wireless, potremmo essere vicini a dire addio a cavi aggrovigliati e spine proprietarie - e buona liberazione!

Ho visto la mia prima stazione di ricarica wireless durante una visita al CES. Pensavo che fosse una grande idea. Ma c'erano diversi inconvenienti. Molti richiedevano di mettere la tua elettronica in una custodia ingombrante che quasi raddoppiasse il peso del dispositivo - e dovevi solo tenere la custodia tutto il tempo. Se non hai posizionato correttamente il gadget sulla base di ricarica, il tuo dispositivo non si ricaricherà. E dovevi ancora collegare la stazione di ricarica al muro. Ma anche con gli svantaggi, la promessa di un telefono senza cavo era molto allettante. Vorrei solo che telefoni come Palm Pre avessero avuto un impatto maggiore in modo da vedere la ricarica wireless diventare più uno standard su tutti i dispositivi.

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