La possibilità di ricaricare le batterie senza utilizzare cavi può servire a rendere più comodi, duraturi e sicuri i sistemi portatili in moltissime applicazioni. Nel caso degli smartphone, ad esempio, la ricarica wireless può essere comoda fuori casa, nei locali pubblici, ma anche in casa, per utilizzare la stazione di ricarica senza dover cercare il giusto cavetto di collegamento. Questa tecnologia può essere impiegata anche nel settore automotive, per ricaricare i dispositivi portatili all’interno del veicolo o, su scala più ampia, per la ricarica delle auto elettriche. L’assenza di connettori rende la soluzione wireless ideale anche per i prodotti sigillati ermeticamente, come alcuni dispositivi medici. Non a caso è stata utilizzata già dai primi anni ’90 negli spazzolini da denti elettrici; guardando avanti potrebbe essere impiegata anche in applicazioni futuristiche quali i dispositivi medici impiantabili. Come funziona, dunque, la ricarica wireless? Facciamo riferimento al caso di uno smartphone e della relativa base di ricarica: entrambi i dispositivi contengono induttori e il trasferimento di energia avviene per accoppiamento induttivo. Facendo scorrere una corrente alternata nell’induttore primario (quello collocato nella base di ricarica, in seguito indicato anche come induttore trasmittente, o Tx) si genera un campo magnetico alternato (flusso magnetico), che a sua volta induce una corrente nell’induttore secondario (quello collocato nello smartphone, in seguito indicato anche come ricevente, o Rx). Questa corrente indotta può essere rettificata e utilizzata per ricaricare la batteria. Il processo è controllato tramite una comunicazione tra lo smartphone e la base che serve per monitorare i livelli e interrompere il processo quando la batteria è carica. L’efficienza del trasferimento di energia dipende dalla qualità degli induttori e dall’entità del flusso magnetico che dall’induttore primario raggiunge il secondario. La qualità degli induttori è espressa con il fattore di merito Q, che è direttamente proporzionale alla frequenza di funzionamento e al valore di induttanza, e inversamente proporzionale alla Esr (Equivalent series resistance) dell’avvolgimento. Un induttore di alta qualità possiede quindi un’induttanza elevata e una bassa Esr. L’entità del flusso magnetico che dall’induttore primario raggiunge il secondario dipende dalla distanza e dall’allineamento tra i due induttori, oltre che dai rispettivi diametri. Il fattore di accoppiamento (che in teoria è compreso tra 0 e 1, in pratica tra 0,3 e 0,6) è una misura del rapporto tra il flusso generato dal primario e il flusso ricevuto dal secondario. Un fattore elevato indica un accoppiamento stretto e quindi un trasferimento di energia efficiente, mentre un fattore basso indica un accoppiamento debole e una minore efficienza. Per massimizzare il fattore di accoppiamento, alcune basi di ricarica impiegano metodi di auto-allineamento basati su un magnete permanente, mentre in altre la posizione corretta è indicata graficamente. In alcune basi di ricarica, invece, l’allineamento scorretto viene compensato agendo sulle correnti di ricarica.
Standard e soluzioni
Attualmente la tecnologia di ricarica wireless viene promossa da due diverse organizzazioni di settore. La A4WP (Alliance for Wireless Power) e la PMA (Power Matters Alliance) hanno unito gli sforzi all’inizio del 2014, scegliendo di promuovere lo standard Rezence A4WP, nel quale entrambi gli induttori (primario e secondario) funzionano in risonanza. Il fattore di accoppiamento tra gli induttori è basso, ma la distanza tra essi può essere molto maggiore rispetto alle soluzioni non risonanti, il che si presta a determinate applicazioni. Il Wireless Power Consortium promuove invece lo standard Qi, che prevede uno stretto accoppiamento tra gli induttori. In queste condizioni i migliori risultati si ottengono facendo funzionare l’induttore trasmittente a una frequenza leggermente diversa dal ricevente. Il consorzio sostiene che questa soluzione offre un livello di efficienza più elevato. Per scegliere lo standard di ricarica wireless più appropriato a una determinata applicazione occorre ricercare il miglior compromesso tra efficienza, interferenze Emi, libertà di allineamento verticale o orizzontale e valutazione dei dispositivi multipli che possono essere ricaricati simultaneamente da un’unica stazione. Per quanto riguarda gli induttori, occorrerà scegliere modelli adatti al particolare standard di ricarica prescelto, considerando che ai fini di un’elevata efficienza sono preferibili componenti ad alto valore di Q. Va osservato anche che alcuni induttori sono adatti sia alla trasmissione sia alla ricezione (Tx e Rx), mentre altri sono utilizzabili solo per Tx o solo per Rx. Inoltre esistono induttori di molte dimensioni diverse. Alcuni produttori, infine, offrono moduli Tx e Rx dotati rispettivamente di un magnete permanente e di un nucleo di materiale magnetico, per ottenere l’auto-allineamento. Ad esempio, l’induttore trasmittente IWTX-4646BE-50 di Vishay, conforme allo standard Qi, offre un fattore Q di 185 ed è destinato a operare insieme all’induttore ricevente IWAS-4832FF-50 dello stesso produttore, che ha un fattore Q di 30. Con un’alimentazione a 19 V e una distanza di 2,7 mm tra gli induttori, questa soluzione consente di ottenere un’efficienza superiore al 70%. Avnet Abacus propone una vasta gamma di induttori per ricarica wireless prodotti da Abracon, TDK e Vishay, oltre a un modulo di ricarica wireless realizzato da Murata. All’interno di questa ampia offerta, è sempre possibile individuare gli induttori più adatti ad ogni specifica applicazione.
