česky english Vítejte, dnes je středa 26. leden 2022

Bezdrátové nabíjení: zásuvka a kabel už patří minulosti

DPS 5/2016 | Vývoj - články
Autor: Axel Stangl, Rutronik

Ráno, jakmile vstaneme z postele, jsou pro mnohé z nás elektrické zubní kartáčky prvními předměty, které bereme do rukou. Bezdrátově nabité díky indukci jsou připraveny ke každodennímu používání. Tato metoda nabíjení je sice jednoduchá a levná, ale pomalá a málo účinná. Nyní existují inteligentnější alternativy – a nejen pro kartáčky.

Mobilní telefony a smartphony patřily mezi předchůdce bezdrátového nabíjení. V současnosti se bez kabelů nabíjejí už i notebooky a na trhu se objevuje nábytek s integrovanými nabíjecími plochami. Bezdrátové nabíjení přináší řadu předností také pro ruční přístroje, jako jsou GPS a měřicí přístroje, termokamery, skenery, dálková ovládání, akumulátorové elektrické nářadí, sportovní náčiní a potřeby pro volný čas, ale i lékařské přístroje. To znamená konec propleteným svazkům kabelů a hledání správného nabíjecího kabelu, přičemž navíc lze na nabíjecí jednotce nabíjet současně několik různých přístrojů. Protože již není potřeba zásuvný kontakt, nedochází k žádnému opotřebování. To je zajímavé především pro menší přístroje, jako jsou např. inteligentní náramkové hodinky, které nemají místo pro výkonné integrované akumulátory ani pro zásuvný kontakt. Zde je také důležité, aby koncový přístroj byl zcela uzavřený a chráněný před prachem a vodou. To bývá rozhodující také u lékařské techniky i v celé řadě průmyslových aplikací. V případě standardizované technologie nemusí nabíjecí jednotky a koncové přístroje pocházet od stejného výrobce. Nabíjecí plochy nebo prohlubně v autobusech, na železnici a ve vozidlech by tím představovaly ideální doplněk mobilní sítě WLAN.

Obr. 1 Příklad bezdrátového nabíjení mobilního telefonu

Pro bezdrátový přenos energie na malou vzdálenost jsou k dispozici dva základní principy:

  • U indukčního spojení je ve vysílači oscilátor, který generuje magnetické střídavé pole. Přenos zajišťuje indukce mezi cívkou přijímače a vysílače. Přitom by vzdálenost obou cívek měla být pokud možno co nejmenší a neměla by překračovat 10 mm; ve větší vzdálenosti klesá indukční spojení, a tím také stupeň účinnosti.
  • Rezonanční indukční spojení zvyšuje dosah přenosu energie. Zde si vysílač a přijímač vyměňují data, vysílač moduluje vysílané pole. Přijímač využívá k přenosu dat k vysílači technologii podobnou RFID. Tím roste stupeň účinnosti v dosahu, možná vzdálenost se zvětšuje od dvojnásobku až na desetinásobek průměru cívky.

Faktor úspěšnosti standardizace

Úspěch bezdrátového nabíjení závisí podstatnou měrou na standardizaci. Tomuto tématu se již upsaly tři organizace.

Až dosud nejúspěšnější organizací je Wireless Power Consortium (WPC). Toto konsorcium sleduje jako cíl zavedení mezinárodně plně kompatibilního řešení. Doposud patří k tomuto konsorciu 210 podniků, mezi kterými jsou výrobci polovodičů a koncových přístrojů, jako jsou Samsung, Sony, HTC, Nokia a Microsoft, Panasonic, LG, STMicroelectronics, Rohm Semiconductor, Sangfei, Haier Group nebo Qualcomm. Standard Qi představuje nejstarší a nejrozšířenější normu, kterou v současnosti využívá přibližně 770 přístrojů – mezi ně patří více než 80 mobilních přístrojů, jako jsou Galaxy S6 a různé modely Nokia Lumia, monitory LED, Bluetooth reproduktory a až 15 různých modelů automobilů.

Qi, v čínštině znak životní energie, sází na rezonančně indukční spojení mezi vysílačem a přijímačem. Nejnovější specifikace Qi z června 2015 umožňuje rychlé nabíjení s výstupním výkonem až 15 W. Díky tomu lze nabít přístroje až na 60 % za půl hodiny. Do budoucna se očekávají řešení s výkonem až do 50 W. Plánují se také inteligentní řešení, která umožňují nabíjet přístroje podle normy WPC i PMA.

Obr. 2 Topologie bezdrátového rezonančního nabíjení

Alliance for Wireless Power (A4WP) a Power Matters Alliance (PMA) podepsaly v červnu 2015 smlouvu o fúzi. Aliance PMA podporovala až dosud normu vyvinutou společností Powermat Technologies, která je založena na indukčním spojení. Tato ještě není uplatněna v žádném koncovém přístroji, zatím se pouze dodávají nabíjecí přístroje a akumulátory, které lze vsadit do jednotlivých přístrojů.

Takzvaný proces Rezence společnosti A4WP sází na rezonanční magnetické spojení. Dosud však není známo, jak bude norma této sjednocené organizace vypadat. Mezi její členy patří například AT&T, Qualcomm, Broadcom, Flextronics a také Intel a Samsung, ale i společnosti jako Procter & Gamble nebo Starbucks.

Řešení založená na IC

K realizaci řešení bezdrátového nabíjení nabízí společnost Rutronik různé IC vysílačů a přijímačů. Nabízejí výkon 5 W podle normy Qi, a aniž by braly zřetel na současnou normu Qi, přecházejí na výkon 10 W na straně přijímače, resp. 15 W na straně nabíječky. Výstupní napětí je variabilní a dosahuje hodnot 4,3 až 5,3 V DC při maximálním vstupním napětí 24 V AC a maximálním výstupním proudu 1,1 A. Pracují se vstupní frekvencí mezi 90 kHz a 220 kHz v prostředí s rozsahem teplot mezi –20 °C a +85 °C. Standardně přinášejí různé ochranné mechanismy, od přepěťové a nadproudové ochrany (Over Voltage Protection, OVP / Over Current Protection, OCP) přes funkci tepelného jištění Thermal Shut Down Function (TSD) až po odpojení při příliš nízkém vstupním napětí (Under Voltage Lock Out, UVLO).

Všichni výrobci v portfoliu Rutronik Wireless Charging Portfolio jsou členy WPC a PMA.

Řešení založená na IC jsou díky funkcím sledování a ochrany bezpečná při dotyku. Funkce zahrnují například FOD (rozpoznávání cizích předmětů), UVLO (rozpoznávání podpětí) a CLP (proudové omezení). Automobily certifikované IC jsou ve vývoji a jejich dostupnost se předpokládá v roce 2016.

Jako doplněk k nabíjecím IC naleznou zákazníci u společnosti Rutronik také všechny ostatní potřebné konstrukční prvky pro kompletní řešení bezdrátového napájení, například MosFety, Zenerovy diody, nabíjecí cívky, kondenzátory, diody LED a odpory. Při výběru a konstrukci ideálně sladěného řešení poskytují odborníci na potřebné výrobky a FAE podporu.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik