Como funcionam os carregadores móveis sem fio

Há momentos em que pode parecer que estamos vivendo no futuro. Temos dispositivos que podemos segurar em nossas mãos e usar para acessar informações armazenadas em computadores em enormes centros de dados em todo o mundo. Podemos assistir a um filme em um dispositivo, mudar para outro gadget e continuar exatamente de onde paramos. Podemos automatizar nossas casas para realizar tarefas mesmo se estivermos do outro lado do mundo.

Mas então há sempre um alerta. Onde estão nossos jetpacks? Onde estão nossos carros voadores? E o que diabos devemos fazer com todos esses malditos cabos?

Essa última pergunta se torna cada vez mais relevante à medida que adquirimos mais dispositivos móveis. Smartphones , e-readers, tablets e tocadores de música portáteis são apenas o começo. E cada um desses dispositivos requer energia para operar, o que significa que mais cedo ou mais tarde você terá que carregá-los. É quando esses cabos realmente se tornam uma irritação.

Você pode ter que lidar com cabos proprietários para vários dispositivos, o que significa que cada cabo caberá em um - e apenas um - de seus gadgets. Se você não tiver sorte na roleta de cabos, terá que continuar pegando os cabos até encontrar o certo. E se você tiver que recarregar tudo de uma vez, terá um polvo tecnológico esperando para enredar você.

Mas existem maneiras de transmitir energia - e carregar dispositivos - sem cabos. Existem vários produtos no mercado hoje que você pode usar para recarregar um dispositivo apenas colocando o gadget em um carregador. Então, como por mágica, a energia é transmitida do pad para o dispositivo. Mas não é mágica -- é ciência!

1. De Tesla a hoje
2. Ímãs, Eletricidade e Acoplamento Indutivo
3. transmitindo poder
4. Conexões Condutivas, Transmissões de Rádio e Wi-Fi?
5. Nota do autor

Nikola Tesla era um personagem e tanto. Ele era um gênio excêntrico cujo trabalho no final do século 19 e início do século 20 revolucionou a engenharia eletrônica. Ele foi um pioneiro em campos que vão desde transmissões de rádio até o desenvolvimento de eletricidade em corrente alternada . Tesla também teve alguns rivais - seu trabalho torceu o nariz de alguns dos maiores inventores da época, incluindo Thomas Edison e Guglielmo Marconi.

Tesla registrou muitas patentes durante sua vida. Um deles apareceu no escritório de patentes em 18 de janeiro de 1902. O título da patente era "Aparelho para Transmissão de Energia Elétrica". Na patente, Tesla descreve um dispositivo que ele acreditava poder transmitir energia elétrica de um condutor para outro sem a necessidade de fios. Em última análise, o trabalho de Tesla neste campo falhou devido a obstáculos financeiros e de engenharia. Mas o sonho não morreu com Nikola Tesla.

A transmissão de energia através de ondas de rádio a princípio parecia promissora. Um bom exemplo de como as ondas de rádio podem transmitir energia é um rádio de cristal . Este rádio básico consiste em um fio longo como antena, um diodo, outro fio para atuar como fio terra e um fone de ouvido de cristal. Conectando os dois fios a cada extremidade do diodo, conectando o fio terra a uma estaca de metal no chão e conectando o fone de ouvido de cristal às extremidades do diodo, este rádio pode captar ondas de rádio que você pode realmente ouvir, mas você não precisa de uma bateria ou outra fonte de energia para ouvi-los - as próprias ondas de rádio fornecem a energia.

O problema com as transmissões de ondas de rádio é que elas não são muito eficientes. As ondas de rádio se espalham à medida que transmitem - apenas uma porcentagem relativamente pequena delas chegaria à antena do dispositivo de carregamento. Mas existem outros métodos para enviar eletricidade sem fio, inclusive por meio de micro-ondas ou magnetismo. A abordagem do ímã realmente ressoou com os engenheiros que procuravam uma maneira de se livrar desses cabos de carregamento extras.

Pioneiros sem fio

Tesla não foi o único engenheiro com visão de futuro a considerar a transmissão de energia sem fio. Daniel Watts Troy registrou uma patente em 1903 para um método de transmissão de energia sem o uso de fios.

Para entender como funcionam os carregadores de energia sem fio, precisamos dar uma olhada em como o magnetismo e a eletricidade estão relacionados. É uma relação que possibilita centenas de diferentes tipos de aparelhos eletrônicos!

Primeiro, vamos pegar um eletroímã. É fácil fazer um eletroímã simples - tudo que você precisa é de uma bateria , um fio de cobre isolado e um prego de ferro. Enrole o fio ao redor do prego de ferro, deixando fio suficiente em cada extremidade para conectar à bateria. Certifique-se de que cada vez que você enrolar o prego você está indo na mesma direção. Quanto mais bobinas você fizer ao redor do prego, mais forte será seu eletroímã.

Depois de enrolar o prego no fio isolado, você pode conectar as duas extremidades do fio aos terminais de uma bateria. A eletricidade flui através do fio enrolado, gerando um campo magnético ao longo do prego. Você pode usar o prego para pegar outros pregos através do magnetismo. Se você mudar as extremidades do fio para os terminais opostos da bateria, você inverterá a polaridade do seu eletroímã - o que era a extremidade norte do ímã se torna a extremidade sul e vice-versa.

Se você montar uma segunda bobina de fio e colocá-la perto da primeira, poderá usar o campo magnético do eletroímã para criar um fluxo de elétrons na segunda bobina. Se você conectar essa segunda bobina de fio a um voltímetro, poderá ver a agulha ou a leitura mudar sempre que conectar ou desconectar os fios da bateria.

Isso porque expor uma bobina de fio a um campo magnético variável pode induzir a eletricidade a fluir através desse fio. A chave é que o campo magnético deve mudar para manter a eletricidade fluindo – um campo magnético estável não funcionará como um indutor.

Uma bateria fornece eletricidade em corrente contínua – a eletricidade sempre flui na mesma direção. Mas se você ligar um eletromagnético a uma corrente alternada - um circuito no qual a eletricidade flui primeiro em uma direção e depois na outra muitas vezes por segundo - você alterna a polaridade do eletroímã no tempo com as mudanças na direção da corrente. Isso cria um campo magnético em constante mudança - a condição perfeita para induzir eletricidade.

Sinais cruzados

O campo magnético de um eletroímã depende da direção da corrente elétrica. Se você enrolasse um fio em torno de um prego e mudasse a direção da corrente de vez em quando, enfraqueceria o campo magnético, pois os sinais opostos se cancelavam.

A maioria das soluções de carregamento móvel sem fio depende do acoplamento indutivo . Aqui está uma abordagem típica:

A estação de carregamento tem a forma de um tapete ou outra superfície plana. Dentro da esteira há uma ou mais bobinas de acoplamento indutivo. O tapete em si é conectado - você precisa conectá-lo a uma tomada de parede. Como a eletricidade que chega à sua casa é de corrente alternada, o tapete fornece a eletricidade que as bobinas precisam para gerar um campo magnético variável.

Seus dispositivos móveis precisam de um estojo ou acessório especial para aproveitar esse campo magnético. Alguns fabricantes fazem aparelhos com gabinetes e eletrônicos que facilitam o acoplamento indutivo – o Palm Pre tinha esse recurso. Mas a maioria dos fabricantes fabrica equipamentos que ainda requerem cabos ou fios para recarregar. Para esses dispositivos, você pode precisar usar mangas especiais - cada manga se encaixa em um modelo específico de dispositivo. Ou você pode ter que conectar um adaptador que se conecta à porta de carregamento do seu dispositivo móvel. A manga ou adaptador terá a bobina correspondente às bobinas do indutor da superfície.

Quer o seu dispositivo suporte nativamente o acoplamento indutivo ou necessite de uma manga ou adaptador, o próximo passo é colocar o dispositivo na superfície de carregamento. As bobinas indutoras dentro do tapete geram o campo magnético que induz eletricidade dentro do seu dispositivo, manga ou adaptador. Essa eletricidade recarrega a bateria do seu dispositivo. Como não há corrente direta passando entre o tapete e o dispositivo, é perfeitamente seguro pegar um gadget quando estiver em movimento.

O acoplamento indutivo é útil, mas há algumas desvantagens. A maior desvantagem é que não funciona em grandes distâncias. Colocar um dispositivo um pouco longe demais para um lado pode significar que você não está realmente recarregando a bateria. Algumas superfícies de carregamento sem fio tentam compensar isso delineando onde um dispositivo deve se encaixar na superfície ou criando áreas elevadas nas quais os dispositivos se encaixam para garantir que as bobinas estejam próximas o suficiente para funcionar.

Embora o acoplamento indutivo seja a abordagem mais comum para carregadores sem fio, não é o único jogo na cidade. Vejamos algumas alternativas à indução.

Outra abordagem para recarregar dispositivos móveis sem fio usa uma rota mais direta. Os tapetes de recarga condutivos criam um circuito elétrico direto entre um dispositivo móvel e uma superfície de carregamento. A superfície do dispositivo de carregamento possui tiras de metal condutor. Quando um dispositivo com contatos elétricos correspondentes toca essas tiras de metal, a eletricidade flui para o dispositivo.

Para que isso funcione, o dispositivo deve ter os contatos incorporados em sua caixa ou uma luva especial que contenha os contatos. Você encaixa seu dispositivo na luva apropriada - cada modelo e tipo de dispositivo precisa do seu próprio - e coloca o dispositivo com luva na parte direita da superfície, garantindo o contato. Isso cria um circuito e carrega seu dispositivo.

Você deve certificar-se de que os contatos na manga correspondem às tiras condutoras na superfície do carregador ou você não criará um circuito. Mas as tiras condutoras podem ser mais eficientes do que o acoplamento indutivo, que de acordo com o Wireless Power Consortium tem uma eficiência média entre 50 e 70 por cento [fonte: Higginbotham ]. Isso significa que pelo menos 30% da energia necessária para operar a estação de carregamento é desperdiçada, mesmo em um sistema de acoplamento indutivo eficiente.

Embora a transmissão de energia por rádio não seja eficiente, é possível projetar uma estação de carregamento que converte ondas de radiofrequência em eletricidade de corrente contínua. Mas, a menos que você tenha uma antena grande e uma fonte de transmissão particularmente poderosa, você não colherá muita eletricidade dos sinais ambientais ao seu redor.

Em 2010, a RCA anunciou que a empresa estava desenvolvendo uma estação de carregamento sem fio que poderia aproveitar os sinais WiFi e convertê-los em eletricidade. Se tal dispositivo pudesse funcionar, poderia ser um ótimo recurso em qualquer lugar que tivesse um hotspot WiFi. Mas matematicamente, tal dispositivo não é prático. Os roteadores WiFi emitem apenas uma pequena quantidade de energia - geralmente cerca de um décimo de watt. Um conversor capturaria apenas uma fração dessa energia, o que significa que carregar algo como uma bateria apenas uma vez pode levar décadas se você depender inteiramente de sinais WiFi para fornecer energia.

Por que apenas uma pequena fração? É porque as emissões de energia obedecem à lei do inverso do quadrado . Esta é uma lei que afirma que qualquer fonte pontual que se espalhe uniformemente em todas as direções - como uma onda de rádio - reduzirá a intensidade em relação à distância da fonte. Quando você começa com uma emissão de energia de baixa potência e depois se afasta da fonte, a intensidade diminui rapidamente.

Com tantas opções de carregadores sem fio, podemos estar perto de dizer adeus aos cabos emaranhados e plugues proprietários - e boa viagem!

Eu vi minha primeira estação de carregamento sem fio em uma visita à CES. Eu pensei que era uma ótima idéia. Mas havia vários inconvenientes. Muitos exigiam que você colocasse seus eletrônicos em uma capa volumosa que quase dobrava o peso do dispositivo - e você deveria manter a capa o tempo todo. Se você não colocar o gadget na base de carregamento corretamente, seu dispositivo não carregará. E você ainda tinha que conectar a estação de carregamento na parede. Mas mesmo com as desvantagens, a promessa de um telefone sem cabos era muito atraente. Eu só gostaria que telefones como o Palm Pre tivessem um impacto maior para que pudéssemos ver o carregamento sem fio se tornar mais um padrão entre os dispositivos.

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