Elektrika po zraku

Objavljeno: 26.6.2019 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Dosje | Revija: Julij-avgust 2019

Vsi novi modeli dražjih pametnih telefonov že nekaj časa podpirajo brezžično polnjenje. To še ne pomeni, da lahko telefon za polnjenje naključno zalučamo v sobo, lahko pa ga odložimo na podstavek brez vtikanja kablov. Tehnologija je standardizirana in presenetljivo zrela, hitrosti pa povsem spodobne.

Nikola Tesla si je pred dobrimi sto leti velikopotezno predstavljal svet brez žic, v katerem bi se električna energija do porabnikov prenašala po zraku. Ekonomisti se ob tem še danes pridušajo, da tak model ne more delovati, ker ne bi mogli preprosto meriti in zaračunavati porabljene energije. S samo zamislijo brezžičnega prenosa električne energije ni nič narobe, le strahotno neučinkovit je, zato je svet še danes prepreden s tisoči kilometrov aluminija in bakra. Kadar pa izgube niso velik problem, temveč je pomembnejša enostavnost, gre tudi po zraku. Polnjenje mobilnih telefonov je tak primer.

Prenos električne energije brez vodnikov v resnici uporabljamo vsakdan. Vsak pasivni čip RFID, ki oživi ob čitalniku, se tedaj napaja po zraku. Radijski valovi čitalnika namreč v tuljavi na čipu inducirajo magnetno polje, kar prinese energijo za delovanje. Nobenega razloga zato ni, da ne bi mogli tudi telefonov polniti tako, da jih doma odložimo na polnilno ploskev.

Blizu ali daleč

Tehnike brezžičnega prenosa električne energije se v grobem delijo v dve skupini, odvisno od razdalje. Pri prenosu na krajše razdalje uporabljamo magnetna (induktivni prenos) ali električna polja (kapacitivni prenos). Za daljše razdalje pa je primernejši prenos z elektromagnetnim valovanjem, ki je lahko neusmerjeno (radijski valovi) ali usmerjeno (laserji). Konceptualno je prenos električne energije po zraku enak prenosu informacije. Bistvena razlika je v potrebni moči in uporabnosti, saj za prenos informacij (torej komunikacijo) zadostuje, da je sprejemnik razbere sporočilo, medtem ko je pri prenosu energije treba zagotoviti, da je na cilj pride dovolj in da so izgube v ostalih smereh čim manjše.

Besedi blizu in daleč uporabljamo v jeziku električne stroke. Če uporabljamo kot oddajnik anteno, je blizu vse, kar je od nje oddaljeno do približno ene valovne dolžine, vse ostalo pa je daleč. Električno in magnetno valovanje sta namreč dovolj daleč stran od antene povezani, drugo na drugo pravokotni valovanji, ki se usklajeno gibljeta skozi prostor. Blizu antene pa lahko govorimo o vsakem posebej.

Električno in magnetno polje lahko ustvarijo nabiti delci, ki so običajno elektroni. Mirujoči naboj ustvarja statično električno polje, nespremenljivi enosmerni tok pa statično magnetno polje. V teh poljih je shranjena energija, a je ne moremo uporabiti za prenos energije na daljavo. V ta namen potrebujemo spremenljiva polja, kar dosežemo z električnimi naboji, ki se gibljejo pospešeno, denimo pri izmeničnem električnem toku.

Na dolge razdalje

Za prenos energije bistveno dlje od oddajnika se uporabljajo radiacijske (sevalne) metode, ki imajo v splošnem domet tudi več kilometrov. Energijo prenašamo v obliki elektromagnetnega valovanja, ki ima lahko zelo različno valovno dolžino – od radijskih valov do laserjev vidne svetlobe. Za kakršenkoli uporaben prenos na dolge razdalje je nujno usmerjeno oddajanje. A to ne gre v nedogled, saj se zaradi uklona in sipanja tudi usmerjeni žarki sčasoma razlezejo. Čim daljša je razdalja, tem težje je obdržati fokusiran snop.

Če uporabljamo radijske valove, potrebujemo izredno velike oddajne in sprejemne antene, da prenesemo zaznave količine energije. Eno omejitev predstavlja uklon valovanja, ki zahteva velike krožnike anten, drugo pa varne vrednosti gostote energijskega toka, ki ne sme spražiti vsega na svoji poti. Ko je NASA raziskovala, ali bi lahko na tak način prenašali energijo iz orbite na površje (sončne celice v orbiti) ali obratno (do plovil v orbiti), so ugotovili, da morajo biti premeri krožnikov vsaj kilometer.

Druga možnost je uporaba laserjev, torej elektromagnetna valovanja krajših valovnih dolžin, ki so blizu vidne svetlobe. V takem primeru imamo v resnici kot sprejemnik fotovoltaično celico, ki svetlobo pretvarja v energijo, le da je lahko prilagojena točno določeni valovni dolžini. Na tak način lahko dosežemo zelo usmerjen prenos energije, ker so laserski snopi lahko zelo dobro kolimirani, a težave predstavljajo izkoristi fotovoltaike in zelo velika gostota energije v laserskem snopu, ki je nevarna.

Na kratke razdalje

Ker nas zanima polnjenje telefonov, se osredotočimo na kratke razdalje, kjer lahko električno energijo prenašamo induktivno ali kapacitivno. Pri induktivnem prenosu uporabljamo magnetno polje, ki se ustvari v oddajniku in ga sprejema tuljava v sprejemniku (ustvarja se tudi električno polje, a nas ne zanima). V oddajniku ustvarimo spreminjajoče se magnetno polje, ki se seveda širi tudi v bližnjo okolico. Tam je tuljava sprejemnika, v kateri spreminjajoče se magnetno polje inducira napetost, ki po njej požene električni tok. Ta lahko opravlja delo na bremenu, na primer polni telefon.

Pri induktivnem prenosu energije uporabljamo magnetno polje, ki inducira tokove v sprejemni zanki.

Iz različnih fizikalnih razlogov je tak prenos učinkovit le, če sta tuljavi poravnani na isti osi in zelo blizu, bliže kot je njun premer. Magnetna (in tudi električna) polja blizu oddajnika z razdaljo upadajo s tretjo potenco, prenesena moč pa je sorazmerna s kvadratom gostote polja. To pomeni, da prenosna kapaciteta upada s šesto potenco, kar je izredno hitro. Če razdaljo povečamo samo za 12 odstotkov, bo moč že dvakrat manjša.

Zato obstaja tudi resonančna inačica, kjer v oddajniku in sprejemniku uporabimo vezji, ki sta v resonanci. To sta vezji LC, ki imata kondenzator in tuljavo, tako da imata usklajeni lastni frekvenci. Na ta način je prenos energije bistveno učinkovitejši (izkoristki na majhni oddaljenosti so blizu 100 odstotkov) in daljnosežnejši, recimo do 10-kratnika premera tuljave. Na MIT so 60 W na ta način prenašali na razdalji dveh metrov z izkoristkom 40 odstotkov.

Pri kapacitivnem prenosu električne energije pa uporabljamo spreminjajoče se električno polje. To pomeni, da uporabljamo dve elektrodi, ki se obnašata kot kondenzator in omogočata prenos energije. Spreminjajoča se napetost na eni elektrodi ustvari nihajoče električno polje, ki na drugi inducira tok. V praksi se tak način uporablja redkeje, ker zahteva visoke napetosti, saj električna polja močno interagirajo z okoliško snovjo (nastaja celo ozon) in je ves postopek zato nevarnejši.

Standardi

Princip brezžičnega polnjena telefonov na induktivni način je sicer en sam, toda izvedb je več, saj se razlikujejo po frekvenci in uporabljenih protokolih za komunikacijo med polnilnikom in napravo. Ta mora namreč nekako sporočiti, kdaj je polna, da se polnjenje ustavi. Po začetni poplavi standardov sta po združitvah ostala dva velika: Rezence in Qi.

Rezence je razvil Alliance for Wireless Power (A4WP), ki se je leta 2015 združil s Power Matters Alliance (PMA) v AirFuel Alliance. Podpira ga več deset podjetij, med drugimi tudi Dell, Hewlett-Packard, HTC, Huawei, LG in Samsung. To seveda ne pomeni, da izdelki teh podjetij podpirale le Rezence, saj številni povsem dobro delujejo na Qi. Rezence uporablja frekvenco 6,78 MHz in omogoča prenos energije do 50 W na razdalje do 5 cm. Za komunikacijo z napravami uporablja tudi Bluetooth Smart.

Seznam popularnih telefonov, ki podpirajo Qi

Apple: iPhone XS Max, XS, XR, 8, 8 Plus

Samsung Galaxy: S10 Plus, S10, S10e, Note 9, S9, S9+, Note 8, S8, S8+, S7, S7 Edge

Sony: Xperia XZ3, Xperia XZ2 Premium, Xperia XZ2

LG: G7 ThinQ, V30, G6, G4, G3

Nokia: 9 PureView, 8 Sirocco

Huawei: P30 Pro, Mate 20 Pro

Microsoft Lumia: 1520, 1020, 930, 929, 928, 920

Google: Pixel 3 XL, Pixel 3

Nexus: Nexus 6, Nexus 5

BlackBerry: Priv, Z30

Motorola: Droid Maxx, Droid Mini, Droid Turbo, Droid Turbo 2, Moto X Force

Xiaomi: Mi MIX 2S, MIX 3, Mi 9

ZTE: Telstra Tough Max, Axon 9 Pro

*Seznam ni popoln.

Drugi standard, ki je še bolj razširjen, s čimer pride tudi interoperabilnost, je Qi (izgovori se »či«). Ta odprti standard je razvil Wireless Power Consortium že leta 2008, danes pa ga najdemo v več kot 100 različnih modelih pametnih telefonov izdelovalcev Apple, Asus, Google, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, BlackBerry, Xiaomi, Sony in drugih. Qi obstaja v treh različicah: nizkoenergijski, ki omogoča polnjenje telefonov in podobno ter zmore do 15 W, srednjeenergijski z nazivno močjo do 120 W (za monitorje, prenosne računalnike ipd.) ter visokoenergijski (do 1 kW), ki pa še ni dokončana.

Qi uporablja frekvenco 140 kHz, ki pa jo lahko oddajnik spreminja od 105 do 205 kHz, da najde čim boljše ujemanje lastnih frekvenc. Te so namreč odvisne od številnih dejavnikov, tudi od razdalje med oddajnikom in telefonov ter medsebojne orientacije, zato je nujno, da se frekvenca ujema.

V praksi bo verjetno preživel Qi, ker je bistveno bolj razširjen. Vse naprave z logotipom Qi ga podpirajo. Če imamo telefone različnih proizvajalcev in vsi podpirajo Qi, jih lahko vse polnimo na istem polnilniku. Tudi če so njihove baterije različne in podpirajo različno hitro polnjenje, se bo podloga Qi znašla in jih ustrezno polnila (to smo videli na testu).

Poleg Rezenca (AirFuel) in Qi obstajajo še druge izvedbe. Za nekatere naprave proizvajalci uporabljajo nestandardne lastne rešitve. To je uporabno v primerih specifičnih naprav, kjer sta pomembnejši učinkovitost in hitrost kakor medsebojna združljivost in standardizacija. Ponekod se preizkušajo tudi radijski valovi in ultrazvok, a gre še za prototipe. Doma bomo uporabljali Qi.

Kaj je v notranjosti

Referenčni oddajnik Qi (referenca A2 iz standarda 1.2.2 iz leta 2017) ima tuljavo z 20 navoji, tako da je notranji premer 19 mm in zunanji 40 mm. Pod njo je železna plošča. Tuljava, ki ima induktivnost 24 μH, je povezana v vezje s kondenzatorjem s kapaciteto 200 nF. To da lastno frekvenco približno 140 kHz. Napetost na kondenzatorju lahko doseže do 50 V in se sproti uravnava.

V notranjosti podloge za brezžično polnjenje je tuljava. Slika: iFixIt

Na strani sprejemnika, torej v notranjosti pametnega telefona, pa imamo tuljavo s pravokotnim navitjem 44 mm x 30 mm, ki ima 14 navojev, in magnetni ščit na vrhu. Povezana je s kondenzatorjema s kapaciteto 127 nF in 1,6 nF.

Komponente za brezžično polnjenje v iPhonu 8. Slika: iFixIt

Za povratno komunikacijo do polnilnika skrbi modulator, ki ga sestavljata dva kondenzatorja s kapaciteto 22 nF in upornik 10-kΩ, vezana v konfiguracijo T. Če to priključimo na kondenzator 1,6-nF, se lastna frekvenca vezja močno spremeni. To oddajnik zazna kot veliko spremembo prenosne moči.

To so vrednosti za en referenčni dizajn, v praksi pa seveda vsak proizvajalec naredi malo po svoje.

Preizkus: z žico

Kako deluje brezžično polnjenje v praksi, smo preizkušali s tremi telefoni in štirimi polnilniki. Samsung Galaxy S10, Google Pixel 3 in Huawei Mate 20 Pro so novi telefoni, ki vsi podpirajo Qi. Sparili smo jih s polnilniki Samsung EP-P5200, Samsung EP-PG950, Samsung EP-PG950i in poceni kitajskim polnilnikom, ki so jih na ministrstvu za javno upravo (SI-TRUST/SI-PASS) nekoč delili kot poslovna darila. Poleg omenjenih brezžičnih polnilnikov smo za primerjavo uporabljali še štiri običajne pretvornike iz omrežne napetosti v USB, in sicer Samsung EP-TA200, Samsung EP-TA300, neznani model General Mobile ter neznani model Olaf. V vseh primerih smo merili tudi električno moč, ki jo troši posamezen polnilnik.

Pri polnjenju baterij nastopata dva režima. Najprej je tok konstanten (in tudi moč), kasneje pa upada. Baterije se zato do prve polovice napolnijo hitreje. Slika: Battery University

S pretvorniki in polnjenjem prek kabla USB smo ugotovili, kako hitro in s kolikšno močjo se telefoni sploh lahko polnijo. Zanimiva je bila ugotovitev, da v okviru eksperimentalne napake vsi adapterji polnijo enako hitro. Edina izjema je bil Olafov adapter na Samsungu Galaxy S10, ki je iz neznanih razlogov dosegel le dobrih 70 odstotkov zmogljivosti. Vse ostale kombinacije telefonov in adapterjev so kazale skladne rezultate.

To je vedel že Nikola Tesla

Da je moč električno energijo prenašati tudi brez žic, je vedel že Nikola Tesla. Od konca 19. stoletja je eksperimentiral z induktivnim in s kapacitivnim prenosom električne energije. Pravilno je ugotovil, da je z resonančnim sklapljanjem moč domet povečati. Na javnih nastopih je večkrat pokazal, kako lahko z odra brezžično prižge geisslerjeve cevi in žarnice z žarilni nitko. Uporabljal je isto metodo, ki je danes temelj brezžičnega polnjenja mobilnih telefonov. Kasneje je Tesla poskusil izdelati sistem za brezžično distribucijo neusmerjeno električne energije na velike razdalje, kar pa mu seveda ni uspelo.

Nikola Tesla je leta 1891 na Columbia College rikazal induktivni prenos električne energije.

Samsung Galaxy S10 se polni s 16,5 W, Google Pixel 3 z 8,5 W in Huawei Mate 20 Pro z 11,0 W (ker nismo uporabili Huaweievega hitrega 40W polnilca, ta za brezžični test ni potreben). To so moči, ki jih troši adapter. Ker se adapter ni pretirano grel in ker je pretvorba iz omrežne napetosti v 5 V dobro izmojstren postopek, ocenimo, da gre velika večina te moči v polnjenje telefona (vsaj 90 odstotkov). Izkoristek pri skladiščenju v baterijo pa je seveda slabši in po okvirnih ocenah znaša okrog 50 odstotkov.

Galaxy S10 se je napolnil v 88 minutah. Z malo matematike ugotovimo, da smo v tem primeru potrošili 87 kJ energije. Njegova baterija ima kapaciteto 3.400 mAh pri napetosti približno 4,2 V, torej uskladišči okrog 51 kJ energije. To pomeni, da je učinkovitost polnjenja baterije približno 60 odstotkov. Mate 20 Pro ima večjo baterijo s kapaciteto 4.200 mAh, hkrati pa se je polnil le z 11 W, zato ni presenetljivo, da je trajalo kar dve uri in pol (150 minut), da se je polnil do 100 odstotkov. Google Pixel 3 je bil še počasnejši, ker je zmogel le 8,5 W. Svojo baterijo 2915-mAh je v celoti napolnil v 160 minutah.

Kaj pa, če moj telefon tega ne podpira?

Enostaven odgovor je, da ga bomo pač polnili s kabli, kot smo to počeli že od nekdaj. V resnici pa za nekatere modele (Apple iPhone 7, 7 Plus, SE, 6S, 6S Plus, 5S; Samsung Galaxy S5, S4, S3, Note 3, Note 2; Huawei P30, P20 Pro, P20, P20 Lite; Microsoft Lumia 930, Lumia 925, Lumia 830; Sony Xperia Z3, Xperia Z2, Xperia Z) obstajajo adapterji, ki jih priključimo v telefonov USB-priključek in potem omogočajo uporabo podlog za brezžično polnjenje. Za druge modele se dobijo celo univerzalni adapterji. Ti adapterji so videti kot nekakšne tanke vrečke, v notranjosti katerih sta tuljava in vezje za sprejem energije, ki potem polnita telefon.

Koliko je to uporabno, presodite sami. Doma najbrž ne, se pa najdejo niše. V nekaterih lokalih (tudi v Sloveniji) imajo v mize vgrajene take sisteme za brezžično polnjenje, stranke pa si potem lahko izposodijo univerzalni adapter, da svoj (katerikoli) telefon napolnijo kar na mizi.

Adapterji, ki omogočajo uporabo brezžičnega polnjenja tudi na telefonih brez tovarniške podpore.

Navedeno ne pomeni, da je Samsung superioren pri hitrosti polnjenja. Vemo, na primer, da se Huawei Mate 20 Pro z ustreznim (Huaweijevim) polnilnikom napolni bistveno hitreje, ker zmore zagotavljati večje moči. Izmerjeni časi so pomembno le zato, da jih lahko primerjamo s hitrostjo brezžičnega polnjenja.

Merjenje časa do 100 odstotkov tudi ni najkoristnejša informacija, ker se baterije v zadnjem stadiju polnijo počasneje. Do približno 70–90 odstotkov, odvisno od modela, poteka polnjenje sorazmerno hitro, potem pa počasneje. Vzrok je v višji napetosti delno napolnjene baterije, zaradi česar polnilnik tedaj začne zniževati tok (in s tem moč). Medtem ko je Galaxy S10 za polnitev do 100 odstotkov potreboval 88 minut, je do 80 prilezel že v 55 minutah. Razlika ni velika, obstaja pa.

Preizkus: brezžično

Naslednji korak pa je bil preveriti, kako se torej obnese brezžično polnjenje. Najprej smo z veseljem ugotovili, da se vsi telefoni in polnilniki med seboj prepoznajo. V najslabšem primeru je trajalo pet sekund, da je polnjenje steklo s polno močjo.

Ugotovili smo, da so razlike med različnimi polnilniki zanemarljive. Tako Samsungov Samsung EP-5200 kakor brezimenski polnilnik SI-PASS/SI-TRUST sta bila enako hitra, razen če je tudi telefon podpiral funkcijo Fast Charge 2.0. Tak primer je Galaxy S10, ki se je z ustreznim polnilnikom polnil z 11 W, medtem ko je brez tega zmogel 7 W. To se tudi pozna pri času polnjenja, saj v prvem primeru telefon napolnimo v 135 minutah, sicer pa v 190.

Google Pixel 3.0 in Huawei Mate 20 Pro sta bila precej konsistentnejša. Z vsemi polnilniki je Google Pixel 3.0 zmogel 6 W, medtem ko se je Mate 20 Pro ustavil pri 8,5 W (razen v SI-PASS/SI-TRUST, kjer je šlo 4 W). Temu primeren je bil tudi čas polnjenja.

Vidimo, da je v vseh primerih brezžično polnjenje okrog 30 odstotkov počasnejše od polnjenja po žici. Telefoni, ki so se prek kabla polnili hitreje, so se tudi brezžično. Drug pomemben zaključek je dejstvo, da je precej odvisno od tega, ali je polnilnik kakovosten ali ne. Med kakovostnimi so razlike zanemarljive, medtem ko so cenejši modeli precej počasnejši. Zanimiv bo še podatek, da imajo vsi polnilniki približno enako razmerje med delovno in navidezno moč, in sicer znaša cos fi okrog 0,5. To za domačo uporabo ni pomembno, ker gospodinjstva plačujejo le delovno moč.

Hitrost polnjenja je obratno sorazmerna z močjo polnjenja, kar je logično. Pri brezžičnem polnjenju je potek enak kot pri kabelskem, torej se telefoni hitreje napolnijo do 80 odstotkov, potem pa počasneje. Razlika pa je manj očitna.

Potem smo preizkusili še, kako visoko lahko dvignemo telefon nad polnilno ploskev, da se bo še polnil. To smo preverili pri polnilniku Samsung EP-5200. Ko smo povečevali razdaljo med telefonom in ploskvijo, se hitrost polnjenja ni bistveno spreminjala, porabljena moč pa je bila le malo večja (z 10,4 W ob 0 cm je zrasla do 12,0 W ob 0,7 centimetra). Pri večji razdalji pa polnjenje ni več mogoče.

Brezžični polnilniki na preizkusu.

Telefoni med polnjenjem so bili vključeni, a ne v uporabi.

Bo svet brezžičen?

Brezžični polnilniki so se doslej obotavljali iz več razlogov. Prvi je bilo pomanjkanje standardizacije, saj ni bilo jasno, kateri standard bo prevladal. Kot je danes pogosto, je bila ključna odločitev Applova podpora standardu Qi, ki postaja de facto najpomembnejši.

Drugi razlog so seveda cene. Kakovostni hitri brezžični polnilniki stanejo med 50 in 100 evri, medtem ko dobimo adapter iz omrežne napetosti na 5 V in ustrezen kabel USB že za pet evrov. Razen pri telefonih najvišjega cenovnega razreda je to predrag dodatek, da bi ga trg prenesel. Res pa je, da kitajske spletne trgovine brezžične polnilnike dostavijo za le nekaj evrov. Upoštevati moramo tudi, da imamo iz prikladnosti običajno več polnilnikov, denimo enega doma, drugega v službi in še kje. Stanje pa se bo seveda spremenilo, če bi, na primer, proizvajalci avtomobilov začeli serijsko vgrajevati polnilnike Qi v kabine, da bi enostavno polnili telefone.

Še najmanj pomemben razlog je hitrost. Res je polnjenje po zraku približno 30 odstotkov počasnejše, vendar to ni toliko, da bi pretehtalo nad enostavnostjo. Kadar bomo potrebovali res hitro polnjenje, bomo pač uporabili kabel, sicer pa je vseeno, ali se telefon polni dve uri ali morda pol ure dlje.

Prednosti in slabosti brezžičnega polnjenja

+ ni izpostavljenih priključkov, kar zmanjša možnosti za korozijo ali kratki stik

+ ni nevarnosti okužbe (uporabno za medicinske vsadke)

+ večja vzdržljivost, ker ni fizične obrabe ob vtikanju

+ enostavnost uporabe in estetika

+ možnost enostavnega krmiljenja na daljavo

+ možnost avtonomnega polnjenja električnih vozil (koristno za samovozeča)

 

- počasnejše polnjenje

- manjši izkoristek (ekološki in finančni problem)

- večji stroški izdelave naprave in polnilcev

- naprave med polnjenjem ne moremo premikati (podstavki so majhni)

- več konkurenčnih standardov (ki se k sreči konsolidirajo)

Tabela 1 [PDF]
Tabela 2 [PDF]

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki