Бывают моменты, когда может показаться, что мы живем в будущем. У нас есть устройства, которые мы можем держать в руках и использовать для доступа к информации, хранящейся в компьютерах в огромных центрах обработки данных по всему миру. Мы можем посмотреть фильм на одном устройстве, переключиться на другой гаджет и продолжить с того места, на котором остановились. Мы можем автоматизировать наши дома для выполнения задач, даже если мы находимся на другом конце света.
Но всегда есть тревожный звонок. Где наши реактивные ранцы? Где наши летающие машины? И что, черт возьми, нам делать со всеми этими чертовыми кабелями?
Последний вопрос становится все более актуальным по мере того, как мы приобретаем все больше мобильных устройств. Смартфоны, электронные книги, планшеты и портативные музыкальные плееры - это только начало. И каждое из этих устройств требует питания для работы, а это значит, что рано или поздно вам придется их заряжать. Вот когда эти кабели действительно начинают раздражать.
Возможно, вам придется иметь дело с проприетарными кабелями для нескольких устройств, а это означает, что каждый кабель подойдет к одному - и только к одному - из ваших гаджетов. Если вам не повезло в кабельной рулетке, вы должны продолжать хвататься за кабели, пока не найдете правильный. И если вам нужно перезарядить все сразу, у вас есть техно-осьминог, который только и ждет, чтобы запутать вас.
Но есть способы передачи энергии и зарядки устройств без кабелей. Сегодня на рынке есть несколько продуктов, которые можно использовать для подзарядки устройства, просто положив гаджет на зарядную площадку. Затем, как по волшебству, мощность передается от планшета к устройству. Но это не магия - это наука!
От Теслы до наших дней
Никола Тесла был настоящим персонажем. Он был эксцентричным гением, чьи работы в конце 19 и начале 20 веков произвели революцию в электронной технике. Он был пионером в различных областях, от радиопередачи до разработки электричества переменного тока. У Теслы также было довольно много соперников - его работа задела носы некоторым из величайших изобретателей того времени, включая Томаса Эдисона и Гульельмо Маркони..
Тесла за свою жизнь зарегистрировал множество патентов. Один из них появился в патентном бюро 18 января 1902 года. Патент назывался «Устройство для передачи электрической энергии». В патенте Тесла описывает устройство, которое, по его мнению, могло передавать электроэнергию от одного проводника к другому без использования проводов. В конечном итоге работа Теслы в этой области провалилась из-за технических и финансовых препятствий. Но мечта не умерла с Николой Теслой.
Передача энергии с помощью радиоволн поначалу казалась многообещающей. Хорошим примером того, как радиоволны могут передавать мощность, являетсякристаллическое радио. Это базовое радио состоит из длинного провода в качестве антенны, диода, другого провода, который действует как заземляющий провод, и кристалла. наушники. Присоединив два провода к любому концу диода, подключив заземляющий провод к металлическому стержню в земле и подключив хрустальный наушник к концам диода, это радио может улавливать радиоволны, которые вы на самом деле слышите, но вы не нужна батарея или другой источник питания, чтобы услышать их - сами радиоволны обеспечивают питание.
Проблема радиоволн в том, что они не очень эффективны. Радиоволны распространяются по мере передачи - лишь относительно небольшой процент из них достигает антенны зарядного устройства. Но есть и другие способы беспроводной передачи электричества, в том числе с помощью микроволн или магнетизма. Магнитный подход действительно нашел отклик у инженеров, которые искали способ избавиться от этих лишних проводов для зарядки.
Пионеры беспроводной связи
Tesla была не единственным дальновидным инженером, рассматривавшим возможность беспроводной передачи энергии. Дэниел Уоттс Трой в 1903 году подал патент на метод передачи энергии без использования проводов.
Магниты, электричество и индуктивная связь
Чтобы понять, как работают беспроводные зарядные устройства, нам нужно взглянуть на то, как связаны магнетизм и электричество. Это взаимосвязь делает возможными сотни различных типов электронных устройств!
Во-первых, возьмем электромагнит. Простой электромагнит сделать несложно - все, что вам нужно, это батарейка, немного изолированного медного провода и железный гвоздь. Оберните проволоку вокруг железного гвоздя, оставив достаточное количество проволоки на каждом конце для подключения к батарее. Убедитесь, что каждый раз, когда вы оборачиваете ноготь, вы движетесь в одном и том же направлении. Чем больше витков вы сделаете вокруг гвоздя, тем сильнее будет ваш электромагнит.
После того как вы обмотали гвоздь изолированным проводом, вы можете подключить два конца провода к клеммам на аккумуляторе. Электричество течет по спиральному проводу, создавая магнитное поле вдоль гвоздя. Вы можете использовать гвоздь, чтобы поднимать другие гвозди с помощью магнетизма. Если вы подключите концы провода к противоположным клеммам на батарее, вы поменяете полярность вашего электромагнита - то, что было северным концом магнита, становится южным концом, и наоборот.
Если вы соберете вторую катушку из проволоки и поместите ее рядом с первой, вы можете использовать магнитное поле вашего электромагнита для создания потока электронов во второй катушке. Если вы подключите эту вторую катушку провода к вольтметру, вы сможете увидеть изменение стрелки или показаний всякий раз, когда вы подсоединяете или отсоединяете провода от батареи.
Это связано с тем, что если подвергнуть катушку провода воздействию изменяющегося магнитного поля, электричество может течь по этому проводу. Суть в том, что магнитное поле должно меняться, чтобы электричество продолжало течь - стабильное магнитное поле не будет работать как индуктор.
Аккумулятор обеспечивает электричество постоянным током - электричество всегда течет в одном направлении. Но если вы подключите электромагнит кпеременного тока - цепи, в которой электричество течет сначала в одном направлении, а затем в другом много раз в секунду - вы чередуете полярность электромагнита во времени с изменением направления тока. Это создает постоянно меняющееся магнитное поле - идеальные условия для индукции электричества.
Пересекающиеся сигналы
Магнитное поле электромагнита зависит от направления электрического тока. Если бы вы намотали провод вокруг гвоздя и время от времени меняли направление тока, вы бы ослабили магнитное поле, поскольку противоположные сигналы нейтрализовали друг друга.
Мощность передачи
Большинство решений для беспроводной зарядки мобильных устройств основаны на индуктивной связи. Вот типичный подход:
Зарядная станция представляет собой коврик или другую плоскую поверхность. Внутри мата находится одна или несколько катушек индуктивной связи. Коврик сам по себе проводной - его нужно включить в розетку. Поскольку электричество, поступающее в ваш дом, представляет собой переменный ток, коврик обеспечивает электричество, необходимое катушкам для создания изменяющегося магнитного поля.
Для использования магнитного поля вашим мобильным устройствам нужен специальный чехол или насадка. Некоторые производители выпускают устройства с корпусами и электроникой, облегчающей индуктивную связь - эта функция была у Palm Pre. Но большинство производителей производят оборудование, для подзарядки которого по-прежнему требуются кабели или провода. Для этих устройств вам могут понадобиться специальные втулки - каждая втулка подходит к определенной модели устройства. Или вам, возможно, придется подключить адаптер, который подключается к зарядному порту вашего мобильного устройства. Втулка или адаптер будут иметь соответствующую катушку для катушек индуктивности поверхности.
Независимо от того, поддерживает ли ваше устройство индуктивную связь по умолчанию или для него требуется рукав или адаптер, следующим шагом будет размещение устройства на поверхности для зарядки. Катушки индуктивности внутри коврика генерируют магнитное поле, которое индуцирует электричество внутри вашего устройства, рукава или адаптера. Затем это электричество заряжает аккумулятор вашего устройства. Поскольку между ковриком и устройством не проходит постоянный ток, брать гаджет в руки совершенно безопасно.
Индуктивная связь полезна, но есть и недостатки. Самый большой недостаток в том, что он не работает на больших расстояниях. Размещение устройства слишком далеко в сторону может означать, что вы на самом деле не заряжаете аккумулятор. Некоторые беспроводные зарядные поверхности пытаются компенсировать это, указывая, где устройство должно располагаться на поверхности, или создавая приподнятые области, в которые помещаются устройства, чтобы убедиться, что катушки расположены достаточно близко друг к другу для работы.
Хотя индуктивная связь является наиболее распространенным подходом к беспроводным зарядным устройствам, это не единственная игра в городе. Давайте рассмотрим некоторые альтернативы индукции.
Кондуктивные соединения, радиопередачи и Wi-Fi?
Другой подход к беспроводной подзарядке мобильных устройств использует более прямой маршрут. Токопроводящие коврики для подзарядки создают прямую электрическую цепь между мобильным устройством и зарядной поверхностью. Поверхность зарядного устройства имеет полоски из проводящего металла. Когда устройство с соответствующими электрическими контактами касается этих металлических полосок, в устройство поступает электричество.
Для этого устройство должно иметь контакты, встроенные в его корпус или специальную втулку, на которой находятся контакты. Вы вставляете свое устройство в соответствующий чехол - для каждой модели и типа устройства требуется свой - и размещаете устройство в рукаве на нужной части поверхности, обеспечивая контакт. Это создает цепь и заряжает ваше устройство.
Вы должны убедиться, что контакты на рукаве совпадают с токопроводящими полосками на поверхности зарядного устройства, иначе вы не создадите цепь. Но токопроводящие полосы могут быть более эффективными, чем индуктивная связь, эффективность которой, согласно консорциуму Wireless Power Consortium, составляет в среднем от 50 до 70 процентов. Это означает, что не менее 30% энергии, необходимой для работы зарядной станции, тратится впустую, даже в эффективной системе индуктивной связи.
Хотя радиопередача энергии неэффективна, можно разработать зарядную станцию, которая преобразует радиочастотные волны в электричество постоянного тока. Но если у вас нет большой антенны и особенно мощного источника вещания, вы не сможете собрать много электричества из окружающих вас сигналов.
В 2010 году RCA объявила, что разрабатывает беспроводную зарядную станцию, которая может использовать сигналы WiFi и преобразовывать их в электричество. Если бы такое устройство могло работать, оно могло бы стать отличным ресурсом в любом месте, где есть точка доступа Wi-Fi. Но математически такое устройство непрактично. Wi-Fi-маршрутизаторы излучают лишь незначительное количество энергии - часто около одной десятой ватта. Преобразователь улавливает только часть этой энергии, а это означает, что зарядка чего-то вроде батареи всего один раз может занять десятилетия, если вы полностью зависите от сигналов WiFi для обеспечения питания.
Почему только малая часть? Это потому, что выбросы энергии подчиняютсязакону обратных квадратовЭто закон, который гласит, что любой точечный источник, распространяющийся равномерно во всех направлениях, например, радиоволна, будет уменьшать интенсивность по мере удаления от источника. Когда вы начинаете с излучения малой мощности, а затем удаляетесь от источника, интенсивность быстро падает.
С таким количеством вариантов беспроводных зарядных устройств мы можем быть близки к тому, чтобы попрощаться с запутанными кабелями и проприетарными вилками - и скатертью дорога!
Примечание автора
Свою первую беспроводную зарядную станцию я увидел на выставке CES. Я подумал, что это отличная идея. Но было несколько недостатков. Многие требовали, чтобы вы помещали свою электронику в громоздкий чехол, который почти удваивал вес устройства, и вы должны были просто держать рукав все время. Если вы неправильно поместите гаджет на зарядную площадку, ваше устройство не будет заряжаться. И еще нужно было подключить зарядную станцию к стене. Но даже с учетом недостатков обещание телефона без проводов было очень заманчивым. Я только хотел бы, чтобы такие телефоны, как Palm Pre, оказали большее влияние, чтобы мы увидели, что беспроводная зарядка стала более стандартным стандартом для всех устройств.