La ricarica wireless è senza dubbio un requisito per ottimizzare le richieste di alimentazione di un qualsiasi dispositivo portatile. Offrendo inoltre un modo semplice per ricaricare il cellulare rapidamente e senza disporre di cavi.
La ricarica senza fili sfrutta le principali leggi della fisica, permettendo così a qualsiasi utente di ricaricare velocemente il proprio dispositivo. In un prossimo futuro questa tecnologia riguarderà non solo i dispositivi portatili ma anche i veicoli a guida autonoma. In questa intervista con Tony Armstrong Direttore Marketing, Power Products di Analog Devices, cercheremo di approfondire vari aspetti che circondano tale tecnologia.
1. Come si sta evolvendo la tecnologia di carica wireless?
Lo scopo primario di qualsiasi progetto di alimentazione wireless è quello di garantire il trasporto della potenza richiesta anche nelle peggiori condizioni di trasferimento. Tuttavia, quando invece le condizioni sono ottimali, è altrettanto importante evitare l’eccessivo stress termico ed elettrico nel ricevitore. Questo risulta particolarmente importante quando la potenza richiesta in uscita è bassa. Per esempio, quando la batteria è carica o quasi completamente carica e le bobine si trovano l’una in prossimità dell’altra. In simili scenari, la potenza disponibile dal sistema wireless è elevata, mentre quella richiesta è bassa. L’eccesso di potenza porta all’innalzamento delle tensioni raddrizzate o all’esigenza di dissiparla sotto forma di calore.
Quando il livello di potenza richiesto dal ricevitore è basso, ci sono molti modi per gestire l’esubero di potenza disponibile. La tensione raddrizzata può essere limitata mediante un diodo zener di potenza o un soppressore di transienti. Tuttavia, questa soluzione risulta particolarmente ingombrante e genera una considerevole quantità di calore. La potenza del trasmettitore si può ridurre, ma questo ridurrà a sua volta il livello disponibile in ricezione o la distanza di trasmissione. È anche possibile comunicare al trasmettitore, a ritroso, il livello della potenza ricevuta, per far sì che quella trasmessa venga regolata di conseguenza. Questa è la tecnica utilizzata dalle normative di alimentazione wireless come lo standard Qi del Wireless Power Consortium. È altrettanto possibile, però, arrivare a risolvere questo problema in forma compatta ed efficiente senza far ricorso a complicate tecniche di comunicazione digitale. Le tecniche che comunicano tramite piccole variazioni nel livello della potenza trasferita richiedono che venga superato un valore minimo trasmesso e potrebbero non funzionare per sistemi con distanze di trasmissione variabili.
2. Quali sono le principali applicazioni che utilizzano la tecnologia di carica wireless?
Molti prodotti usano una batteria come fonte di alimentazione primaria. Tuttavia ne esistono tantissimi, meno noti ma ugualmente utili, che utilizzano a loro volta le batterie.
Gli esempi più comuni comprendono: dispositivi medicali portatili, sensori industriali e anche congegni rotanti o in movimento. In ogni caso, a differenza di quanto accade nel meno critico mercato consumer, queste applicazioni hanno requisiti più stringenti, come la necessità della sterilizzazione e persino il funzionamento in ambienti potenzialmente esplosivi come quelli che si trovano in raffinerie e industrie chimiche.
In moltissime di queste applicazioni, l’impiego di un connettore per la ricarica è critico o addirittura impossibile. Per esempio, alcuni prodotti richiedono contenitori sigillati per proteggere dagli ambienti aggressivi i componenti elettronici più delicati. Altri possono semplicemente avere dimensioni troppo ridotte per includere un connettore, mentre nei dispositivi alimentati a batteria che prevedono movimento o rotazione, l’uso di fili per la carica è virtualmente impossibile.
Di conseguenza il wireless viene adottato come metodo alternativo per la carica delle batterie, dato che questo tipo di soluzione aggiunge valore, affidabilità e robustezza a queste applicazioni, mentre con il connettore questo non accade.
Ovviamente la carica wireless è comunemente in uso in molti apparati portatili da anni. Sono compresi telefoni cellulari, sistemi GPS portatili e perfino apparecchi acustici. Su scala più vasta, il sistema wireless è stato adottato dall’industria automotive per la carica di grossi banchi di batterie, utilizzati correntemente in tutti i veicoli elettrici e/o ibridi. Un valido esempio è rappresentato dal sistema induttivo di carica wireless utilizzato da BMW per il modello BMWi8.
3. Può dirmi qualcosa sul ruolo della tecnologia dei semiconduttori nell’apporto di soluzioni di carica wireless?
In un circuito percorso da corrente alternata, in prossimità del filo esiste un campo magnetico variabile in funzione del tempo; se si colloca un altro conduttore in questo campo tempo-variabile viene indotta corrente.
L’intensità del campo magnetico è proporzionale a quella della corrente che scorre nel conduttore. L’energia viene trasferita dal conduttore (primario) che produce il campo a qualsiasi altro conduttore (secondario) che venga influenzato attraverso l’accoppiamento magnetico definito in precedenza. In un sistema “loosely coupled”, con un basso coefficiente di accoppiamento, una corrente ad alta frequenza non percorre lunghe distanze sul conduttore ma, a causa del disadattamento d’impedenza del cavo, perde rapidamente energia, che viene riflessa all’origine o irradiata.
Nella progettazione di un sistema di carica wireless, un parametro fondamentale è rappresentato dall’entità della potenza di carica che, di fatto, apporta energia alla batteria. La potenza ricevuta dipende da innumerevoli fattori, tra cui il livello della potenza trasmessa, la distanza e l’allineamento tra l’avvolgimento trasmittente e il ricevente, altrimenti definito come “accoppiamento” e, per finire, la tolleranza dei componenti del trasmettitore e del ricevitore.
4. Qual è l’evoluzione tecnologica e in cosa consiste la vostra soluzione?
Un prodotto introdotto recentemente per espandere la nostra offerta nel campo della ricarica wireless delle batterie è l’LTC4123. Quest’ultimo combina un ricevitore wireless da 30mW con un caricatore lineare a corrente-costante/tensione costante per batterie NiMH, come la serie power one ACCU plus di Varta. Un blocco risonante LC esterno collegato all’LTC4123 permette all’IC di ricevere alimentazione in modalità wireless da un campo magnetico alternato generato da una bobina trasmittente. Il circuito interno che gestisce l’alimentazione converte la corrente AC ricevuta nella DC necessaria alla carica della batteria.
Il processo di carica wireless mediante l’LTC4123 permette la completa sigillatura del prodotto, eliminando la necessità della sostituzione sistematica delle batterie primarie. La funzione di rilevamento degli elementi Zn-Air (Zinco-Aria) permette alle applicazioni di lavorare indifferentemente sia sulle batterie ricaricabili NiMH, sia sulle batterie primarie Zn-Air, utilizzando lo stesso circuito. Entrambe possono alimentare direttamente l’ASIC di un apparecchio acustico, senza la necessità di convertire ulteriormente la tensione. Diversamente, per alimentare l’ASIC utilizzando una batteria Li-Ion da 3,7V, oltre alle funzionalità dell’LTC4123 si deve prevedere l’uso di un regolatore step-down. L’LTC4123 raddrizza l’alimentazione AC dalla bobina ricevente, accettando ingressi da 2,2V a 5V per alimentare un completo carica batteria con controllo a corrente-costante/tensione-costante.
Le caratteristiche del circuito comprendono corrente di carica programmabile fino a 25mA, tensione di carica batteria su cella singola da 1,5V con accuratezza di ±0,5%, indicazione dello stato di carica e timer integrato per l’interruzione di sicurezza del processo di carica. Il controllo della tensione durante la carica è compensato in temperatura, protegge le batterie NiMH e previene il sovraccarico. L’LTC4123 impedisce la carica in caso di inserimento delle batterie a polarità invertita e entra in pausa nei casi in cui la temperatura diventi troppo elevata o sia troppo bassa. L’LTC4123 è realizzato in package ultra-compatto DFN a 6-pin, a basso profilo (0,75mm) di 2mm x 2mm con pad metallico per eccellenti prestazioni di dissipazione termica.
Figura 1: Tony Armstrong
Per chi volesse saperne di più, mi permetto di mettere link ad un mio articolo sugli standard per caricabatterie wireless: https://it.emcelettronica.com/caricabatterie-wireless-guida-agli-standards
Non so a che punto sia l’evoluzione del wireless charging, ma ricordo bene che Google con la sua prima gamma di Nexus (io avevo lo smartphone Nexus 5) aveva scelto di supportare la ricarica wireless. Avevo anche comprato sia un carica batterie con standard Qi “da comodino” sia un adattatore per l’auto con apposito supporto. Il problema di questo tipo di ricarica è dovuto al compromesso che (almeno finora) è stato necessario raggiungere tra velocità di ricarica e surriscaldamento. Il telefono, dopo circa 1 ora, manifestava un riscaldamento evidente della parte inferiore, cosa che non giovava certo alla salute della batteria. Tuttavia, essendo la velocità di ricarica molto bassa, occorreva mantenerlo fermo sul supporto circa 3 ore per una ricarica completa. Se in fase di acquisto, quando la batteria è nuova, tale compromesso era accettabile, dato che bastava caricarlo una volta al giorno, alla sera, in seguito non è stato più possibile, costringendomi quindi ad usare sia il cavo che il wireless, annullandone i vantaggi.
Questo credo sia stato il motivo di fondo per cui Google in seguito ha abbandonato il supporto al wireless charging.
Successivamente sono passato a OnePlus e con il suo efficiente sistema di ricarica rapida ho ottenuto evidenti vantaggi! Sfruttando il suo adattatore (proprietario) per auto posso servirmi anche dei brevi (10 o 30 minuti a seconda) viaggi casa-lavoro per ricaricare quel tanto che basta per arrivare tranquillo a fine giornata. A volte mi scordo anche del caricabatterie (sempre OnePlus) a muro.
Sono consapevole che la ricarica rapida mette maggiormente sotto stress la batteria ma a conti fatti, da pura esperienza utente, la ricarica rapida (ribadisco, al momento) vince nettamente su quella wireless.
Questo fino a che chiaramente tale tecnologia non avrà raggiunto una performance paragonabile, limitando la dispersione di calore.
Grazie per aver pubblicato questo articolo.
Sono un amante dell’Energy Harvesting e mi piace cercare articoli, anche “vecchi”, su tutto ciò che riguarda questo campo e affini. Analog Device offre molti componenti che supportano il recuper dell’energia.
Quanto spiegato in questo articolo permetteva già di capire la possibilità di ricaricare Wireless di dispositivi supportata da un sistema di Energy Harvesting.
Spero pubblicherete nuoni articoli su questa materia.