Olgu jõud teie ja teie seadmetega. Juhtmeta laadija

Kuulus Nikola Tesla oli kinnisideeks ühest ideest. Ta kujutas ette, et elektrit saab edastada juhtmevabalt, õhu kaudu pikkade vahemaade tagant või võrku organiseeritud tornide abil (1). Kõik ei läinud plaanipäraselt, kuna tema nägemine kulutas liiga palju energiat. Tesla ambitsioonid ei realiseerunud, kuid teooriat ennast ei lükatud ümber.

2021. aasta jaanuaris ajakirjas Nature avaldatud artikkel viitas sellele, et nad võiksid teadmatult ehitada selle, mida Tesla XNUMX. ja XNUMX. sajandi vahetusel ei suutnud – "juhtmevaba elektrivõrgu", mida saab kohandada laadimiseks. või väikese sisseehitatud seadme toiteks. seadmed autodes, kodudes. , töökohad ja tehased.

Kuna 5G tugineb tihedale mastide ja antennide võrgule, on võimalik, et sama infrastruktuur võib mõne modifikatsiooniga anda toite väikestele seadmetele. Süsteem kannatab aga endiselt sama probleemi all, mis Tesla tornidel – suured energiakadud.

Mõeldud kasutamiseks, võivad need kanda nii internetiühendust kui ka elektrit. Katsetes kasutati juhtmevaba laadimise hõlbustamiseks uut tüüpi antenne. Laboris kasutasid teadlased 5G linke, et edastada võimsust suhteliselt lühikesel, veidi üle kahe meetri kaugusel, kuid nad eeldavad, et nende seadme järgmine versioon suudab edastada 6 mikrovatti (6 miljondikvat vatti) kaugusel 180 meetrit. Sellest ikka ei piisa. Telefoni laadimisest ei piisa. Siiski saab see laadida või toita IoT seadmed, andurid ja alarmid. Tehastes saab sadu IoT andureid kasutada ladude jälgimiseks, seadmete rikke ennustamiseks või osade liikumise jälgimiseks mööda tootmisliini.

Sellel tasemel juhtmevaba toite pakkumiseks mastid 5G need peavad olema vähemalt 31 kW, mis vastab kümnele veekeetjale pidevalt keeva veega. Kuigi teadlased on ümber lükanud kartused, et 5G võib põhjustada vähki, võib mastidelt tulev võimsus olla ohtlik. Kasutajad peavad vastavalt ohutuseeskirjadele asuma mastidest vähemalt 16 meetri kaugusel. See tehnika on alles lapsekingades.

Võimalikud tulevikulahendused, kui ainult uued antennid kitsamate ja fokuseeritumate kiirtega võib oluliselt vähendada süsteemi käitamiseks vajalikku võimsust. Hiljuti töötas rühm Georgia Tehnoloogiainstituudi teadlasi välja väikese, 3D prinditud alaldi antennmis suudab koguda 5G võrgu signaalide elektromagnetilist energiat ja kasutada seda seadmete toiteks. Paindlik antenn, mille disain põhineb Rothmani objektiividel, suudab koguda millimeeterlaineid sagedusalas 28 GHz. Elektromagnetlainete energia see kantakse laadijasse ja edastatakse juhtmevabalt näiteks kaasaskantavasse elektroonikasse või IoT moodulitesse.

Eespool kirjeldatud lahendusi juba katsetatakse mõnes kohas üle maailma. Powerco, suuruselt teine elektrijaotur Uus-Meremaal katsetatakse Emrodi süsteemi, mis kasutab ristteid, mis püüavad laineid elektromagnetilises spektris, mis vastavad sellistele sagedustele nagu Wi-Fi või Bluetooth, ja edastavad seejärel mikrolaine elektrienergiat ühest punktist teise (2). Samal ajal jälgivad väikesed laserid alaldi antenne, et tuvastada releepunktide vahel esinevad takistused. "Oleme välja töötanud tehnoloogia, et edastada võimsust juhtmevabalt pikkade vahemaade taha," ütleb Emrodi asutaja Greg Kushnir.

2. Emrodi juhtmevaba jõuülekandesüsteemi paigalduse võrdlus tüüpilise ülekandevõrguga

projektid juhtmevaba jõuülekanne nad jõuavad avakosmosesse veelgi suuremate vahemaade tagant. Nagu hiljuti selgus, salapärane Minibuss X-37B seda kasutab ka Pentagon, et katsetada tehnoloogiaid energia edastamiseks kaugusest ja varustada sellega erinevaid seadmeid. X-37B-l on spetsiaalne 30 sentimeetrise läbimõõduga plaat, mis on mõeldud päikeseenergia muundamiseks mikrolaineenergiaks. On teatatud, et PRAM-FX eksperimendi tulemused üllatasid teadlasi suuresti. Konversiooni efektiivsus on oodatust palju suurem.

Mis on Pentagoni plaan? Armee soovib juhtmevabalt saata tohutul hulgal energiat orbiidilt Maale ja seejärel ümber maailma. Selle tehnoloogia eeliseks on see, et isegi halvimad ilmastikutingimused ei karda seda. Teadlased ei näe selle rakendust mitte ainult Marsi või Kuu baasides, kus on võimalik ühes kohas energiat toota ja seejärel kaugematesse baasidesse saata, vaid ka näiteks Maal, et energiat kaugete objektide vahel üle kanda.

Nüüd on viisnurk ehitusjärgus. kosmoselaev nimega Arachne i Päikesesüsteem Helios. Laev varustatakse spetsiaalsete päikeseplaatide ja süsteemiga, mis edastab energiat nii orbiidile kui ka Maale. Seade tuleks kosmosesse saata juba 2023. aastal. USA armee plaanib 20. sajandi XNUMX. aastatel ehitada Maa orbiidile mitu päikesefarmi, kus on võimalik toota energiat ja saata seda Maale või toita sellega kosmoserajatisi.

Sarnased farmid rajatakse ka Kuu ja Marsi orbiidile, sest projektis osaleb ka NASA.

Induktsioon või lained

"Traadita laadimise" all mõeldakse protsessi elektriseadmete laadimine ja akuga töötavad seadmed, ilma et oleks vaja juhtmega elektriühendust. Üldiselt on kolme tüüpi laadimist: induktiivne, resonants- ja raadiolaadimine.

induktiivne laadimine kasutab elektromagnetilise induktsiooni füüsikalist nähtust. Kui vahelduvvool läbib laadimisjaamas induktsioonpooli, tekitab liikuv elektrilaeng magnetvälja, mille tugevus kõigub.

See vahelduv magnetväli tekitab laadimisseadme induktsioonmähises vahelduva elektrivoolu, mis omakorda läbib alaldi. Alalisvool laeb akut või annab töövõimsust. Induktiivse laadimise kontseptsiooni uuris esmakordselt inglise füüsik Michael Faraday 1831. aastal ja Nikola Tesla täiustas seda veelgi.

Seda tüüpi tehnoloogia kõige populaarsem rakendus maailmas on Qi juhtmevaba laadimise standard nutitelefonidele, nutikelladele ja tahvelarvutitele (3). Induktiivset laadimist kasutatakse ka sõidukites, elektrilistes tööriistades, elektrilistes hambaharjades ja meditsiiniseadmetes. Kaasaskantavaid seadmeid saab paigutada laadimisjaama või induktsioonpliidi lähedale, ilma et oleks vaja täpset positsioneerimist või elektrilist kontakti dokkimisjaama või pistikuga.

3. Juhtmeta laadija

Suurte vahemaade saatja ja vastuvõtja mähiste vahel on võimalik saavutada induktiivses laadimissüsteemis resonantse induktiivse sidestusega side, kus igale induktiivpoolile lisatakse kondensaator, et moodustada kaks kindla resonantssagedusega ahelat. Vahelduvvoolu sageduse sobivus resonantssagedusja see valitakse sõltuvalt maksimaalse jõudluse saavutamiseks vajalikust vahemaast.

Üks kuulsamaid ettevõtteid selles valdkonnas on käivitage WiTicity tuntud oma elektromagnetresonantsil põhineva juhtmevaba laadimistehnoloogia poolest. Ettevõtte lahendused koosnevad neil olemasolevatest saatjatest ja vastuvõtjatest magnetantennid häälestatud samale sagedusele, võimaldades platvormil laadida korraga mitut seadet.

WiTricity peamine eesmärk on varustada elektrisõidukid selle süsteemiga. WiTricity on teinud koostööd Toyotaga, kes on katsetanud Priuse hübriidide, aga ka Honda, Hyundai, Nissani ja GM-i laadimismatte. Kuid ainult 2018. aasta BMW 530e iPerformance 2018e oli esimene selle süsteemiga mudel, mis turule jõudis.

Juhtmeta laadija raadiosaated olid juba esitanud ajaloolise ülevaate, mis ulatub tagasi Tesla aegadesse. See põhineb teisel füüsikalisel põhimõttel - energia ülekandmisel elektromagnetlainete abil. Praegu töötab see väikese võimsusega sagedusaladel, kuigi arendustöö veel käib.

2015. aastal suutis juhtmevaba mikrolainetehnoloogia edastada 1,8 kilovatti võimsust 55 meetri kaugusele. Pealegi ei toimunud see mitte vaakumis, vaid Maa tavalises atmosfääris. Seda tegid Jaapani teadlased ja seda peeti suureks saavutuseks jõuülekande vallas ilma elektrijuhtmeid kasutamata. Jaapanis on juba aastaid uuritud juhtmevaba jõuülekande kohta pikkade vahemaade tagant. Teada on ka plaane Päikeselt energia hankimiseks suure abil päikesefarm kosmoses.

Patendid ja standardid

Enamik enam kui 2019 patendist selles valdkonnas aastatel 20–401 on Hiinas – 4 (XNUMX). Loomulikult arenevad aktiivselt ka Ameerika korporatsioonid nagu Qualcomm ja Apple. uued juhtmevaba laadimise tehnoloogiad. Lõuna-Koreas töötavad Samsung ja LG aktiivselt selles valdkonnas oma Galaxy S- ja V-seeria lipulaevade nutitelefonidega, mis toetavad juhtmevaba laadimist. Jaapanis pakub see tehnika aga huvi autotööstuse hiiglastele Toyotale ja Nissanile.

4. Juhtriigid juhtmevaba laadimise valdkonna patentide arvu poolest

Kuid selleks, et juhtmevaba laadimine leviks, on vaja ka rahvusvahelisi standardeid. Viimastel aastatel on välja kujunenud kaks juhtmevaba laadimise standardit – Qi ja Power Matters Alliance (PMA).

Qi kasutab vahemikku 100…205 kHz. Wireless Power Consortiumi andmetel on praegu turul üle 3700 Qi-sertifikaadiga seadme, mis suudavad mobiilseadmetele edastada 5–15 vatti võimsust.

PMA laadimisstandard kasutab vahemikku 277…357 kHz. See juhtmevaba valik, tuntud ka kui AirFuel Alliance'i standard, annab kuni 50 millimeetrit võimsust, võimaldades teil oma seadmeid laadimise ajal kasutada ja mitut seadet korraga laadida.

Kuigi mõlemad standardid kasutavad induktiivne laadimine ja neil on sarnane komponentide struktuur, need ei ühildu. Seadmed vajavad PMA ja Qi toetamiseks erinevaid konfiguratsioone. Paljud uued seadmed sisaldavad mõlema laadimisstandardi kasutamiseks vajalikku riistvara. Olukord muutub, kuna Qi näib olevat võimust võtmas. Näiteks PMA konsortsiumi asutajaliige Powermat läheb üle Qi standardile, mille on juhtmevaba laadimisstandardina omaks võtnud ka Apple. Teiste juhtivate Qi tootjate hulka kuuluvad Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi ja Sony.

Otsides mugavust, jõudlust ja töökindlust

Vaatame turul saadaolevaid või äsja väljatöötatud lahendusi. Tootjad püüavad seda tüüpi seadmeid hõlpsasti kasutada. Näide oleks Laevatehase tööpinnad, Ühendkuningriigi üks juhtivaid töölaudade tootjaid, pakub tehnikat juhtmeta laadimistehnoloogia integreerimiseks oma tööpindade pinnale. See lihtne ja tõhus moodulsüsteem kasutab standardset SupaPowa Qi saatjat, mis võimaldab voolul voolata saatja pooli ja vastuvõtja pooli vahetus läheduses.

Moodne ja stiilne lauaplaat särab, kui seade on laetud. Tootja pakub ka tööpinnale asetada kontrastsest materjalist ketta, tänu millele on laadimispunkti asukoht kõigile kasutajatele selgelt nähtav: päeval ja öösel.

Aira "FreePower" süsteemi saab integreerida töölaudadesse, töölaudadesse ja armatuurlaudadesse, et muuta need laadijateks, mis suudavad samaaegselt toita mitut seadet. Tavalistel kontaktlaadijatel on kontsentreeritud pöördealamis peab selle laadimiseks olema nutitelefoniga joondatud. Aira toitega pinnad kasutavad pinnal mitut mähist ja algoritme, mis jälgivad seadmete laadimist.

Energous'i juhtmevaba laadimissüsteem WattUp(5) võimaldab kasutajatel laadida nutitelefone, tahvelarvuteid ja muid seadmeid platvormiga samas piirkonnas. WattUp töötab sarnaselt WiTricityga (magnetresonantstomograafia), kuid erineb Bostoni käivitamisest selle poolest, et saatja kasutab Bluetoothi, et otsida seadmeid, mida saab Energous rakenduse abil laadida.

Üks kuulsamaid maailmaturul on Powermati tehnika (6), nimega SmartInducitve, mis põhineb magnetinduktsioonil, võimaldab jõuülekannet pikkadel vahemaadel, kuni 40 cm, toetab juhtmevaba laadimist märkimisväärse nihkega (isegi kui see on nurga all) ning sobib seadmete juhtmevabaks laadimiseks ja toiteks läbi seinte , eemalt, karmides välistingimustes, vee all ja isegi kõrge metallilisusega keskkondades.

Elix Wireless arendab omakorda suure võimsusega laadijaid vahemikus 1 kuni 000 20 W mis tahes rakenduste ja tööstusseadmete jaoks. Ettevõte on spetsialiseerunud "magnetodünaamilisele sidemele" (MDC), mis kasutab nii saatjas kui ka vastuvõtjas paari pöörlevaid magneteid, mis on eraldatud õhupiluga. Magneti pöörlemine saatjas paneb vastuvõtja magneti sünkroonselt pöörlema, tagades tõhusa jõuülekande, mis toodab vähem soojust kui muud induktsioonimeetodid.

Võrreldes kõigi siinkirjeldatud lahendustega, erineb uBeami toode selle poolest, et see kasutab laadimiseks ultraheli. Ettevõtte tehnoloogiakirjelduse järgi töötab platvorm valjuhääldilaadse saatjaga, mis kiirgab kõrgsageduslikku heli vahemikus 45 kuni 75 kHz (inimestele ja loomadele kuuldamatu). Seejärel kasutab see faasmaatriksiga antenni heli saatmiseks mikrofonilaadsesse vastuvõtjasse, mis on paigaldatud toidet vajavale seadmele. Edasi ultraheli laineenergia muundatakse alalisvooluks. Seadme laadimisel katkeb jõuülekanne.

Hoiduge võõrkehade eest

Vaatamata pidevale arengule ja täiustamisele tekitavad praegu praktikas kasutatavad laadimismeetodid endiselt palju probleeme. Nagu hiljutises The New York Timesi artiklis märgiti, suurendas iPhone XR-i laadimine Apple'i 12-vatise juhtmega laadijaga aku laetust 38 minutiga 30 protsenti, kuid juhtmevaba laadimisjaama kasutamine poole tunni jooksul andis vaid 24-protsendilise laetuse.

Nii et tulemus pole eriti muljetavaldav. Lisaks, mida kaugemal on vastuvõtja saatjast, seda vähem energiat see allikast saab. magnetväli. Laadimise efektiivsus ei vähene mitte ainult vahemaa suurenemisega, vaid ka "mitteoptimaalse" asendi tõttu. Lisaks toodavad kõik energiaülekande meetodid soojust. Juhtmeta laadimine pole parem ja mõnel juhul võib olla problemaatilisem kui kaabliga laadimine.

W traadita laadija peate hoiduma mähise läheduses olevate võõrkehade eest, eriti kui need on metallist. Näiteks võib kogemata laadijale asetatud münt või võtmekomplekt hakata energiat üle kandma, mis võib eseme sulatada ja laadijat kahjustada. Loomulikult on seadmeid, mis annavad märku, kui võõrkehad on seal, kus neid olla ei tohiks, kuid nagu arvata võib, ei maksa need tavapärasest vähem.

Õhust saadav toide võib akuprobleeme lahendada

Võitlus nende paremaks muutmise nimel, mis veel muljetavaldav, intensiivistub juhtmevaba laadija seaded. Ettevõtted otsivad võimalusi nutitelefoni laadimise protsessi mugavamaks muutmiseks, et telefon ei peaks olema pistikupesa läheduses või täpselt laadimispinnal positsioneeritud. Hiina ettevõte OPPO pakkus 2019. aastal Reno Ace telefonimudeleid, mis töötasid 65W juhtmevaba laadijaga, mis võimaldas akut laadida kuni 100 protsenti.

30 minuti jooksul. Sellest ajast alates on jätkunud konkurents suurima juhtmega laadimisvõimsuse pärast. 2020. aastal kuulutasid VIVO ja Xiaomi välja 120 W juhtmega laadimistehnoloogia, mis suudab laadida 4000 mAh akut 20 minutiga. Neid seadmeid aga praegu turul saada pole, nagu ka Xiaomi väljakuulutatud 80-vatist süsteemi.

2021. aasta algus on sari mobiilseadmete kauglaadimissüsteemide esitlusi "ilma juhtmete ja laadimisalusteta". OPPO esitles oma lahendust esimest korda. Demovideos näeme, et telefon laeb juhtmevabalt, hoolimata alusest eemaldamisest. Vahetult pärast seda esitlust teatasid Xiaomi hiinlased Mi Air Charge süsteemist. Mõni päev hiljem, juba veebruaris, korraldas Motorola meeleavalduse kauglaadimisjaam nimega "Motorola One Hyper" (7). Ja Jaapani ettevõte Aeterlink avalikustas Airplug-seadme, mis väidetavalt suudab toita seadmeid kuni 20 meetri kaugusel.

7. Motorola One Hyper süsteemi esitlus kaamerate laadimiseks umbes meetri kauguselt

Märtsis avaldas Xiaomi rohkem üksikasju oma pikamaalaadimistehnika kohta. Selle laadija on varustatud antennidega, mis suudavad tuvastada nutitelefoni asukoha. Faasijuhtimise maatriks koosneb 144 antennist, mis edastavad millimeeterlaineid otse telefonile kiirkujundamise teel. 14 antennist koosnev vastuvõtuantenni massiiv muudab millimeeterlaine signaali elektriks, mis laeb telefoni.

Ettevõte ütles, et "lähitulevikus" suudab süsteem töötada ka nutikellade, käevõrude ja muud kantavad seadmed. Mis puutub nutitelefoni, siis Xiaomi on välja töötanud "signaaliantenni" ja "mannekeeni vastuvõtva antenni". Esimene edastab teavet asukoha kohta.

Üks juhtmevaba laadimise ideedest pikamaa juhtmevaba laadijamis keeratakse lambipesasse. See on toode, mille on välja töötanud Iisraeli ettevõte Wi-Charge. See on infrapunavalguse kasutamine umbes kahe vatti võimsuse edastamiseks. Ettevõte tutvustas tehnikat CES 2020 messil ja võitis innovatsiooniauhinna. Idee seisneb selles, et saatja ühendatakse traditsiooniliste majapidamises kasutatavate toiteallikatega ja muundab elektrienergia infrapuna laserkiirteks. Seadmetesse sisseehitatud vastuvõtjad muudavad selle valguse toiteallikaks. Wi-Charge tutvustab praegu oma lahendust turvakaamerate ja nutikate riiulite kauglaadimiseks USA kauplustes ja ladudes.

Kui kantavale elektroonikale oleks kunagi kasu olnud juhtmevabast kauglaadimisest, olgu siis võrgus nagu 5G või mõni muu non-stop tehnoloogia, võib akude suurust vähendada ja mõnel juhul üldse mitte kasutada. . See lahendab paljud probleemid, millega kantavate seadmete sektor täna silmitsi seisab.