Как устроена и работает беспроводная зарядка для телефона

Мобильная техника плотно вошла в нашу повседневную жизнь, и появление беспроводных зарядных устройств вполне закономерно. Ведь электронные потребительские приборы (такие как смартфоны, например) должны в идеале работать длительно и безотказно, при этом не очень удобно каждый раз втыкать вилку в розетку, а штекер — в гаджет, когда нужно его подзарядить.

Комплект беспроводных интерфейсов (Wi-Fi, Bluetooth и т.д.) давно стал привычным атрибутом многих портативных устройств, так почему бы не включить в этот набор интерфейс для беспроводной зарядки? И современные технологии позволили это реализовать.

Конечно, при беспроводной подзарядке заряжаемое мобильное устройство должно находиться на расстоянии не менее 4 см от зарядника, но согласитесь, это удобнее, чем провод, тянущийся от вилки. Иногда во время подзарядки возникает необходимость принять звонок, отойти от зарядника, затем вернуть смартфон на место вблизи передатчика зарядного устройства. Это проще, чем каждый раз перетыкать штекер.

А в некоторых сферах, например в медицине, технология беспроводной зарядки аккумуляторов просто необходима (приборы экстренной помощи, светильники на аккумуляторах и т.д.). Не даром за последние годы такие ведущие производители электроники как Intel, Samsung, NXP, Texas Instruments и многие другие, — активно взялись разрабатывать оборудование и микросхемы для беспроводных зарядных устройств.

Принципиально технология беспроводной зарядки основана на передаче электроэнергии электромагнитной индукцией . В ближней зоне индукции реактивное взаимодействие передатчика и приемника наибольшее. Так, для частоты в 10 МГц ближняя зона простирается на 4,7 метра.

Благодаря явлению электромагнитной индукции, в замкнутом контуре приемника возбуждается индукционный ток, при этом источником переменного магнитного потока (индуктором) служит контур передатчика.

Система включает в себя пару катушек индуктивности — катушку приемника и катушку передатчика, которые индуктивно связаны между собой. Переменный ток первичной катушки (передатчика) образует магнитное поле, которое пронизывает витки вторичной катушки (приемника), и индуцирует на ней ЭДС.

Напряжение с приемной катушки и используется для зарядки аккумулятора мобильного устройства. И чем ближе приемник к передатчику, тем больше энергии приемник получает. На больших расстояниях индуктивная связь мизерна, и система становится неэффективной. Коэффициент связи катушек k имеет большое значение.

Взаимная индуктивность контуров, соответствие резонансных частот, добротность катушек приемника и передатчика — все это влияет на качество беспроводной передачи электроэнергии от передатчика к заряжаемому устройству. На резонансной частоте, при высокой добротности обоих контуров, при высоком коэффициенте связи катушек КПД системы получается наибольшим. Это очевидно из теории антенн.

Ассоциация потребителей электроники классифицирует технологии беспроводных зарядных устройств по величине коэффициента связи контуров. При значении коэффициента связи до 0,1 система называется слабосвязанной, а если коэффициент приближается к 1, то это сильносвязанная система. Сильносвязанные системы называются магнитно-индуктивными, а слабосвязанные — магнитно-резонансными. Эти два типа систем кардинально отличаются между собой.

Магнитно-резонансная технология менее критична ко взаимному расположению катушек, и с одним передатчиком может работать сразу несколько приемников, то есть одно зарядное устройство может заряжать одновременно несколько девайсов. Но здесь критично расстояние.

Для достижения лучшей эффективности выбирается резонансная частота наилучшим образом взаимодействующая с сопротивлением нагрузки. Эффективная же добротность магнитно-индуктивных систем значительно ниже. При точном согласовании в магнитно-резонансной технологии передача энергии происходит с наивысшем КПД. Важно, что в процессе работы системы любого типа необходимо точно контролировать текущие параметры, чтобы эффективность передачи энергии не снижалась.

Согласно спецификациям WPC 1.1 частота резонанса должна быть из диапазона от 100 до 205 кГц, а в спецификациях PMA – от 277 до 357 кГц, при добротности от 30 до 50. По спецификациям A4WP частота фиксирована, и согласование импедансов приемника и передатчиков должно быть строгим. Для магнитно-резонансных систем добротность может достигать 100.

Что касается КПД, то даже 97 процентный КПД проводных зарядников еще не достигнут. Тем не менее преимущество магнитно-резонансных систем зарядки налицо: катушка передатчика может быть размером в 12 раз больше катушки приемника, при этом приемников можно разместить несколько, и заряжать одновременно, скажем, три смартфона.