Publicado: Quarta, 04 Dezembro 2013 14:25
Uma nova geração de carregadores para baterias de celulares está substituindo os velhos carregadores ligados a uma tomada de energia ou a um adaptador no carro: a geração dos carregadores sem fio.
Grandes empresas fabricantes de chips estão disponibilizando seus produtos que tornam o desenvolvimento de carregadores muito mais simples, e um padrão universal permitirá que uma base carregadora opere com qualquer tipo de celular.
Em breve, será comum que ao chegar a um quatro de hotel, a um restaurante ou outro lugar público, você encontrará uma pequena base onde seu telefone será colocado para uma carga, sem a necessidade de conectores, fios e outras coisas que tornam incômodo o uso deste tipo de equipamento.
Diversas marcas de celulares já disponibilizam este recurso, assim como os carregadores apropriados sem fio.
Neste artigo explicaremos como funciona o carregador sem fio e veremos como as tecnologias modernas podem tornar a carga inteligente, indo além da simples transferência da energia, mas também o gerenciamento da carga e muito mais.
Nicola Tesla previa que no futuro a energia poderia ser transportada sem a necessidade de fios.
Figura 1 – Estação transmissora de energia sem fio idealizada por Nicola Tesla em 1905
Se bem que ideia de Tesla até hoje não tenha sido aplicada à transmissão de grandes quantidades de energia a longas distâncias, para pequenas distâncias as limitações são menores.
O que ocorre é que se emitirmos energia, por exemplo, através de ondas de rádio, elas se espalham no espaço de modo que na estação receptora chega apenas uma pequena parcela da energia emitida.
É por esse motivo que os receptores de rádio precisam de circuitos amplificadores. O sinal que é captado pela antena corresponde a uma parcela muito pequena da energia total transmitida.
Mesmo se pudermos concentrar a energia, o espalhamento ainda existe e a energia que pode ser captado numa estação distante é muito pequena.
Com o LASER isso é possível, pois a dispersão da energia é pequena. Já se pensou em utilizar sistemas de LASER em satélites que captariam a energia de painéis solares e convertendo-a em luz, transmitiriam para a terra.
No entanto, este sistema tem um sério inconveniente. Seria muito perigo atravessar o feixe transmitido, pois ele seria tanto mais letal quanto maior a quantidade de energia enviada.
Figura 2 – Satélite captador de solar Suntower da NASA
Para as pequenas distâncias as possibilidades são maiores.
Assim, para o caso dos carregadores de telefones sem fio, utiliza-se o mesmo princípio do transformador. Temos então o que se denomina de "carregador indutivo" ou, usando o termo inglês comum "inductive charging".
Veja que o mesmo princípio pode ser usado para se carregar a bateria de outros aplicativos domésticos tais como barbeadores elétricos, escovas de dentes elétricas, cortadores de cabelo, tablets e muito mais.
Assim, se tivermos uma bobina primária onde aplicamos energia na forma de uma corrente alternada, podemos transferir essa energia para uma bobina próxima por indução, utilizando-se o campo magnético criado.
Basta que as linhas de forma do campo criado pela primeira bobina cortem as espiras da segunda bobina ocorra, para que possamos ter a transferência da energia, conforme mostra a figura 3.
Figura 3 – O princípio de funcionamento do transformador
Veja então que, quanto mais próximas estiverem as bobinas maior será a quantidade de linhas de força da primeira bobina que corta a segunda e, portanto, maior o rendimento na transferência de energia.
Os transformadores fazem com que a maior quantidade de linhas de força da primeira bobina corte a segunda utilizando um núcleo comum que concentra estas linhas.
No entanto, podemos ter um rendimento aceitável no processo, se as bobinas ficarem suficientemente próximas e se a frequência do sinal utilizado for apropriada.
Este é justamente o princípio de funcionamento dos carregadores sem fio: a base contém uma bobina emissora (primário de um transformador) e no telefone celular temos uma bobina receptora de energia (secundário do transformador).
Figura 4 – Bobinas chatas são usadas na base do carregador e na tampa do celular
Um rendimento maior pode também ser obtido se a bobina receptora for ressonante na frequência do sinal emitido pela bobina transmissora como no caso dos dispositivos RFID.
Na figura 5 temos um carregador com a bobina transmissora em destaque.
Figura 5 – Placa e bobina de um carregador comum
Na figura 6 temos um carregador e o telefone celular.
Figura 6 – Carregador e telefone
Além dos carregadores utilizando campos magnéticos ou indução conforme o indicado, também existem carregadores que fazem o uso de micro-ondas ou RF.
Neste caso, temos um transmissor na base e um receptor no telefone, que converte a energia recebida numa corrente de carga para a bateria, conforme mostra a figura 7.
Figura 7 – Sistema de carga usando micro-ondas
No entanto, na prática estes sistemas têm limitações não sendo usados a não ser em casos muito especiais.
Seria muito simples ter uma bobina emissora e uma bobina receptora com um diodo retificador e capacitor de filtro para termos um sistema carregador simples, conforme mostra a figura 8.
Figura 8 – Um sistema elementar de carga
No entanto, com a possibilidade de desenvolvermos sistemas inteligentes, com muito mais recursos, podemos ir além.
Assim, conforme mostra a figura 9, num sistema inteligente, além da bobina emissora, temos um circuito que gerencia a carga, o que pode ser feito monitorando-se a própria impedância que o circuito receptor apresenta ou ainda recebendo sinais do celular.
Figura 9 – Diagrama de blocos do sistema receptor no celular
Com isso, além do acompanhamento do processo de carga, ele pode ser elaborado de forma inteligente, com uma carga mais intensa quando a carga e pequena, para diminuir a velocidade quando ela se aproxima do máximo.
Se este processo de cargas de telefones celulares e outros aplicativos deve se tornar muito comum no futuro, é importante que se adote um padrão universal para seu uso.
De fato, se você encontrar num hotel em seu quarto uma base de carga de celular é de vital importância que, independente da marca ou modelo se seu celular (desde que tenha o recurso da carga sem fio), você pode apoiá-lo e ele se carregará sem problema.
Existem três padrões em discussão atualmente> Qi, PMA (Power Matter Alliance) Powermat e A4WP (Alliance for Wireless Power).
O padrão Qi, por exemplo, foi um dos primeiros que apareceu. Ele opera numa frequência entre 110 e 205 kHz para a carga em baixa potência e entre 80 e 300 kHz para a carga em média potência.
Já, o padrão A4WP opera com uma técnica de ressonância, semelhante a usada nos RFID, com uma frequência de 6,78 MHz para o sinal de potência e 2,4 GHz para os sinais de controle. Esse padrão possibilita a carga de diversos dispositivos simultaneamente.
A pronúncia é (chi) tendo sido adotado pelo Wireless Power Consortium em 2008 já existindo mais de 100 empresas que o adotam.
A distância máxima de transferência de energia deste padrão é de 40 mm (4 cm) o que exige que o telefone em carga ou outro dispositivo seja apoiado numa base própria.
A faixa de potências coberta vai de 0 a 5 W para os dispositivo de baixa potência e até 120 W para os dispositivo de média potência.
Num sistema convencional existe uma estação-base onde está o transmissor indutivo de energia. Nestes dispositivos existe uma superfície plana onde deve ser apoiado o dispositivo em carga.
Os dispositivos móveis, que terão as baterias carregadas devem ter recursos para receber a energia.
Para que a carga tenha um rendimento apropriado, é preciso que o maior número das linhas do campo criado sejam interceptadas pelo receptor. Para isso existem duas opções de posicionamento para os dispositivo.
Posicionamento guiado, onde existe uma guia na base que faz com que o dispositivo carregado seja encaixado na posição correta e com isso o rendimento seja sempre o mesmo.
Posicionamento aleatório, onde não há necessidade de uma posição correta do dispositivo carregado na base, havendo uma área mais ampla para sua colocação.
Um ponto importante a ser considerado é que a estação-base troca informações a uma taxa de 2 bps (no Qi) com o dispositivo carregado. Isso permite monitorara carga, de modo que a estação de carga seja informada quando o dispositivo está carregado.
Na tabela abaixo o formato padrão dos dados.
Qi Formato Padrão de Dados
• Header (1 Byte)• Message ( 1 to 27 Byte) One complete message per packetPayload for control• Checksum (1 Byte)
Capacidade Detalhes
Velocidade 2 kbps
Codificação de bit Bi-phase
Codificação de byte Start bit; 8 bit data; parity bit; stop bit
Estrutura do pacote • Preamble (>=11 bit)
Um fato importante que deve ser considerado neste tipo de carregador é a possibilidade de correntes induzidas serem geradas num objeto metálico próximo (veja no nosso almanaque "correntes de eddy").
Essas correntes poderiam aquecer indevidamente o objeto com um potencial de perigo evidente. Assim, os carregadores podem detectar objetos metálicos próximos avisando que devem ser removidos, antes de liberar a carga.
Assim, atualmente como existem diversos padrões, ao comprar um carregador deste tipo (que já existe à venda) você deve assegurar-se de que o dispositivo que vai ser carregado (seu celular, por exemplo, é compatível com ele.
Na figura 10 temos um exemplo de carregador para Galaxy S4 que exige que você troque a tampa traseira por uma tampa especial que tem o sistema de captação (bobina).
Figura 10 – Carregador para o Galaxy (deve ser de tipo que tenha o recurso receptor)
A Mouser Electronics disponibiliza diversos dispositivos de transmissão e recepção de energia para o desenvolvimento de carregadores sem fio. Podemos citar como exemplo os da Texas Instruments cujas informações podem ser acessadas a partir do endereço http://br.mouser.com/new/Texas-Instruments/tiqiwirelesspower/?utm_medium=email&utm_source=november2013&utm_campaign=cm-wirelesscharging&utm_content=part1lm no site a Mouser.
A série da Texas TI BQ500110/BQ00210, por exemplo, é formada por controladores digitais que integram as funções lógicas para o controle da transferência de energia num único canal de uma estação-base. Na figura 11 temos o diagrama de blocos do sistema da Texas.
Figura 11 – blocos do receptor e transmissor da Texas
Para a recepção é usado o BQS1013, cujas informações também podem ser acessadas no mesmo site.
No gráfico da figura 12, mostramos a eficiência do sistema de carga que utiliza este par de componentes.
Figura 12 – Eficiência do sistema
No datasheet é possível encontrar um diagrama completo de carregador usando este componente. O link é http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq500110.pdf.
Campos magnéticos de baixa frequência representam um perigo potencial para a saúde, conforme já relatamos em diversos artigos de nossa autoria.
Se bem que a frequência usada não seja tão baixa quanto à da corrente das linhas de transmissão de energia, e também sua intensidade, os campos dos carregadores são intensos nas suas proximidades.
Assim, mesmo que a certa distância eles não representem perigo, deve ser evitado seu uso muito próximo das pessoas.
Por exemplo, na cabeceira de sua cama, ligado durante à noite quando ele vai emitir o campo por horas seguidas, ou ainda na sua mesa de trabalho, muito próximo de você.
Os efeitos desses campos ainda não foram pesquisados, mas certamente em pouco tempo deve sair alguma documentação sobre o assunto.