Spis treści:
Elektronika i elektrotechnika to dziedziny, które w dalszym ciągu się rozwijają. Co ciekawe, bezprzewodowe ładowanie telefonów komórkowych bazuje na podstawach teoretycznych opracowywanych jeszcze w XIX wieku.
Ładowanie indukcyjne telefonów komórkowych
W artykule tym opisano zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz przedstawiono, w jaki sposób jest ono wykorzystywane do bezprzewodowego ładowania telefonów komórkowych i innych urządzeń elektroniki użytkowej.
Energia elektryczna bez przewodów!
Technologia ładowania indukcyjnego pozwala na bezprzewodowe przesyłanie energii elektrycznej z ładowarki do baterii urządzenia ładowanego. Obecnie do takich urządzeń zalicza się m.in. elektryczne szczoteczki do zębów, telefony komórkowe, a także samochody elektryczne. Z zewnątrz może to wyglądać nieco zagadkowo, ale wszystko tak naprawdę opiera się na starych i sprawdzonych prawach i zasadach stojących u podstaw elektrodynamiki klasycznej. Nad przesyłaniem energii elektrycznej drogą bezprzewodową pracował już Nikola Tesla – inżynier serbskiego pochodzenia żyjący na przełomie XIX i XX wieku, który jest uznawany za pioniera w dziedzinie zasilania prądem przemiennym. Czy jego wizja właśnie spełnia się na naszych oczach? Sprawdźmy!
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej – prawo Faradaya
Indukcja elektromagnetyczna jest bardzo często zachodzącym zjawiskiem w naszym życiu codziennym. Na nim opiera się zasada działania transformatorów, cewek indukcyjnych, przekaźników elektromechanicznych, elektromagnesów, maszyn indukcyjnych wirujących (silników i generatorów), układów zapłonowych silników benzynowych, magnetofonów, a także niektórych instrumentów muzycznych takich jak gitara elektryczna, organy Hammonda czy pianino elektryczne Fender Rhodes. W zjawisku indukcji elektromagnetycznej zachodzi powstawanie zmiennego napięcia elektrycznego (siły elektromotorycznej) skutek zmian strumienia magnetycznego w dziedzinie czasu. Linie sił pola magnetycznego przechodzącego przez rdzeń cewki są liniami zamkniętymi. Przebieg czasowy napięcia indukowanego zależy od zmian strumienia magnetycznego przechodzącego prostopadle do zwojów tworzących uzwojenie cewki. Strumień magnetyczny możemy odpowiednio wzmocnić, zwiększając indukcyjność cewki. Napięcie będące wynikiem zmian zależy liniowo proporcjonalnie od indukcyjności cewki oraz liczby zwojów tworzących uzwojenie cewki. W skrócie – zjawisko indukcji elektromagnetycznej opisuje prawo indukcji elektromagnetycznej ustanowione w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Prawo indukcji elektromagnetycznej jest odwrotne do prawa przepływu Ampère’a i mówi, że zmienne pole magnetyczne indukuje zmienne pole elektryczne. Ta własność jest również wykorzystywana w konstrukcji bezprzewodowych ładowarek indukcyjnych.
Klasyczne ładowarki sieciowe do telefonów komórkowych
Większość małych urządzeń elektronicznych, których używamy na co dzień, pracuje na stosunkowo niskim napięciu względem napięcia sieciowego 230 V. Dotyczy to m.in. laptopów zasilanych zwykle napięciem stałym o wartości ok. 19 V, a także telefonów komórkowych i tabletów na poziomie ok. 3,7 V. Standardowo napięcie znamionowe wyjściowe ładowarek zaopatrzonych w złącze wyjściowe USB typu A wynosi 5 V. Klasyczna ładowarka sieciowa jest zasilaczem impulsowym w topologii flyback, który przekształca napięcie wejściowe tak, aby na wyjściu układu uzyskać stabilne napięcie stałe o odpowiedniej wartości. Konstrukcja takiego zasilacza składa się z transformatora impulsowego, tranzystora mocy, oscylatora wysokiej częstotliwości, kondensatorów filtrujących i podtrzymujących napięcie, diod prostowniczych, bezpiecznika oraz wyjścia napięcia do odbiornika. Transformator w takiej ładowarce pracuje na kilkaset do tysiąca razy wyższej częstotliwości względem częstotliwości napięcia sieciowego, ale w dalszym ciągu zgodnie z prawem indukcji Faradaya.
Ładowarki indukcyjne – podstawowa zasada działania
Być może zastanawiasz się, jakim cudem możliwe jest ładowanie telefonu poprzez położenie go na platformie podłączonej do gniazdka elektrycznego. Zapewniamy, że to żadne magiczne sztuczki – metoda ta również wykorzystuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Mamy do czynienia z układem dwóch cewek sprzężonych magnetycznie poprzez powietrze – wbrew pozorom to także układ transformatora. Jedna cewka jest umieszczona wewnątrz ładowarki i jest zasilana napięciem, a druga w odbiorniku ładowanym i napięcie w niej jest indukowane od strumienia pola magnetycznego pochodzącego z cewki ładowarki. Brzmi znajomo? Tak, to nic innego jak prawo indukcji elektromagnetycznej w praktyce!
Ładowarki rezonansowe
Najprostsze modele ładowarek indukcyjnych umożliwiają ładowanie bezprzewodowe. Jest to szczególnie bezpieczne z uwagi na niwelację ryzyka dostania się wilgoci do złącza wyjściowego ładowarki lub złącza ładowania w urządzeniu, np. szczoteczce do zębów lub w golarce elektrycznej. Jednak ładowarki tego typu cechują się niewielką maksymalną odległością urządzenia ładowanego od ładowarki, po której przekroczeniu proces ładowania zostaje przerwany. Bardziej zaawansowanym rodzajem ładowarek indukcyjnych są ładowarki rezonansowe – ich zasada działania przypomina urządzenia łączności radiowej. Obwody takich ładowarek oraz urządzeń ładowanych z nimi skorelowanych mają cewki o odpowiednio skalibrowanej częstotliwości rezonansowej, dzięki czemu nie powstają zakłócenia radioelektryczne.
