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Ve Lo Spiega L’ingegnere/6: La Ricarica Wireless

Nei giorni scorsi Xiaomi ha presentato la sua nuova mi Air Charge Technology. Il nuovo sistema di ricarica wireless che è in grado di ricaricare dispositivi in un’area di diversi metri. Una evoluzione molto rilevante per quanto riguarda la ricarica senza fili, che fino ad oggi ci ha permesso di alimentare i nostri dispositivi solo appoggiandoli a una basetta. Ma come funziona questa tipologia di ricarica?

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Induzione Elettromagnetica

Il principio fisico su cui si basa la ricarica wireless è l’induzione elettromagnetica. Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica è stato scoperto e codificato in legge nel 1831 dal fisico inglese Michael Faraday. Esso è attualmente alla base del funzionamento dei comuni motori elettrici, alternatori, trasformatori, pick-up per chitarra magnetici, etc. La legge di Faraday, insieme a quella di Ampère-Maxwell, correla i fenomeni elettrici con quelli magnetici.

Il trasferimento di potenza dalla rete elettrica alla batteria del dispositivo oltre ad utilizzare l’elettricità (tensione e corrente) avverrà anche tramite l’utilizzo di un campo magnetico. Il passaggio di energia non avverrà quindi solo tramite un materiale conduttore come il cavo di rame ma anche in aria.

Il caricatore ad induzione

Un caricatore a induzione si compone solo di poche parti: una connessione alla rete elettrica domestica (AC), un oscillatore elettronico, e una bobina di trasmissione.

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fonte: Real Engineering

L’oscillatore elettronico è un componente che è un grado di generare un’onda a una certa frequenza. Questa può variare a seconda dei produttori e degli standard adottati, ad esempio per lo standard QI la frequenza di risonanza è tra i 110 e i 205 kHz per i caricatori fino a 5W e tra gli 80 e i 300 kHz per i caricatori a potenza più alta.

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L’oscillatore crea una corrente alla frequenza di risonanza che si immette nella bobina.

La bobina è formata da un filo di rame avvolto su sé stesso in modo da avere un determinato numero di avvolgimenti. Il passaggio della corrente nella bobina determina la formazione di un campo magnetico (legge di Ampère-Maxwell). Il campo si trasmette nell’aria fino ad arrivare alla bobina presente nel dispositivo. A questo punto il flusso del campo magnetico che si concatena nella bobina determina la formazione di una tensione elettrica ai capi del filo di rame e quindi il trasferimento di energia. La quale può essere accumulata nella batteria.

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In questo modo la potenza del campo magnetico è stata riconvertita in potenza elettrica seguendo la legge di Faraday.

Efficienza

I due parametri importanti per l’induzione elettromagnetica sono l’area del foro della bobina e il numero di avvolgimenti. Più grande sarà il foro della seconda bobina maggiore sarà il flusso concatenato. Questo determina che poiché i dispositivi sono di dimensioni contenute non è possibile fare una bobina con area molto grande. Questo determina una diminuzione dell’efficienza, che nei caricatori attuali è circa del 60%.

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In termini di efficienza è molto importante anche la distanza dei dispositivi, maggiore sarà la distanza maggiore sarà il flusso magnetico che si disperde nell’ambiente e non si concatena nel foro della bobina, provocando così una diminuzione di efficienza

Induzione elettromagnetica a grande distanza

Il nuovo dispositivo di Xiaomi dovrebbe invece essere in grado di ricaricare i dispositivi anche a grande distanza (3/5 metri). Questo è possibile tramite l’utilizzo del Beamforming: tramite l’utilizzo di un array di antenne e lo sfasamento dei segnali è possibile creare dei fronti d’onda costruttivi in una determinata direzione. Lo smartphone riesce quindi a comunicare la propria posizione nella stanza al caricatore ed esso  manda un campo magnetico direzionato proprio verso lo smartphone, permettendo al campo di concatenarsi con le bobine presenti nel telefono e permettendo la ricarica.  Si può immaginare quindi come un raggio di energia che il caricatore spara verso lo smartphone.

La tecnica del beamforming è utilizzata anche nelle antenne 5G, di cui ho parlato nel mio precedente articolo.

Marco De Pace
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