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La carga inalámbrica sigue avanzando

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Por Mark Patrick, Mouser Electronics

¿Por qué razón no cargamos todos y cada uno de los dispositivos personales de forma inalámbrica? Los cables de nutrición son incómodos, y no sería realmente difícil que la industria los suprimiera. Ya se hacen cosas en este sentido: muchos de los móviles que salen al mercado se pueden cargar sin cable y múltiples modelos nuevos de vehículo pueden cargar dispositivos de este género. Además de esto, esta tecnología se prueba en bares y cafeterías de todo el planeta, y hay un elevado número de plataformas de evaluación para todo género de sistemas de carga inalámbrica.

Teniendo todo esto en cuenta, ¿por qué razón no se ha extendido el empleo de la carga inalámbrica? El primordial inconveniente es que hay diferentes estándares. El estándar Qi, de Wireless Power Consortium (WPC) y los diferentes estándares de la AirFuel Alliance llevan años compitiendo y utilizando diferentes tecnologías, con lo que los fabricantes no pueden tener la seguridad de que el usuario vaya a poder cargar con sencillez y desde cualquier sitio su móvil, reloj inteligente, tableta o bien portátil.

Asimismo ha habido algún inconveniente relacionado con el diseño técnico. En los sistemas Qi, las bobinas de carga del transmisor y el receptor deben estar separadas unos milímetros y alinearse de la forma conveniente a fin de que la carga sea más veloz, algo que no sucede a la primera de cambio cuando el usuario pone el móvil en una mesa de carga.

El dispositivo y el cargador se deben comunicar, lo que se puede conseguir de diferentes formas. Asimismo existen muchas opciones para la propia tecnología de carga —desde la carga inductiva y capacitiva hasta la resonancia magnética— y todas y cada una tienen inconvenientes y ventajas en concepto de ingeniería. Además de esto, el usuario desea que la carga sea veloz, lo que implica una mayor potencia; por su parte, esto puede provocar inconvenientes de seguridad en topologías inalámbricas, puesto que los metales que haya en la zona podrían calentarse y provocar lesiones. Otro factor esencial que no resulta conveniente olvidar es que los fabricantes siempre y en todo momento intentarán que el costo total sea el menor posible.

Presentamos el WPC

El WPC es un conjunto de cooperación abierto de cara al desarrollo de estándares que se formó en dos mil ocho y está compuesto durante más de seiscientos empresas de todo el planeta (si bien, en el campo de la carga inalámbrica, un elevado número de empresas coopera con organismos que compiten entre sí). Poco tras su capacitación, este conjunto presentó el estándar Qi (que se pronuncia «chi»), la tecnología más afianzada para móviles y dispositivos portátiles con una nutrición de entre cinco y quince W. No obstante, hasta determinado punto, esto ha supuesto un obstáculo para la modernización del estándar, en tanto que las innovaciones han de ser compatibles con sistemas que se diseñaron hace diez años.
El estándar Qi emplea la metodología más barata: un mecanismo de carga inductiva, acoplamiento fuerte y baja frecuencia. No obstante, el WPC ha ampliado su propuesta con un estándar inalámbrico para electrodomésticos (de doscientos W a dos,2 kW) y otro de potencia media para herramientas, robots aspiradores, bicis eléctricas y otros dispositivos accionados por batería (de treinta a sesenta y cinco W). Los dos están todavía en desarrollo y emplean diferentes tecnologías para eludir el inconveniente de la compatibilidad retroactiva.

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Imagen 1: Receptor de un solo chip BQ51222 (Texas Instruments) para carga inalámbrica.

El estándar Qi marcha con una comunicación en banda a baja frecuencia (112a 250kHz) y con una baja velocidad de transmisión de datos. Esto limita la separación de carga (tres-5mm) y está claro que afecta a la flexibilidad del posicionamiento. En las comunicaciones en banda, los datos se acostumbran a mandar así como la transmisión inalámbrica de la nutrición. El inconveniente es que esto solo marcha en un sentido (del receptor al transmisor) y solo cuando hay un solo receptor asociado a un solo transmisor. Esto se puede solventar de diferentes formas (con muchas bobinas independientes, o bien con un conjunto, y con diferentes protocolos de comunicación), mas tienen otras desventajas, como la compatibilidad retroactiva y el incremento del costo. Se están fabricando muchos controladores Qi de un solo chip (como los de Texas Instruments y NXP), lo que está contribuyendo a reducir el costo de las conexiones inalámbricas simples.

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Imagen 2: El transmisor NXQ1TXH5 de carga inalámbrica por Qi, de NXP.

AirFuel Alliance

La fusión de Alliance for Wireless Power (A4WP) y Power Matters Alliance (PMA) en dos mil quince supuso el nacimiento de AirFuel Alliance, consiguiendo aunar 2 tecnologías rivales: la carga capacitiva y por resonancia, lo que contribuyó a reducir la fragmentación en el planeta de la carga inalámbrica. AirFuel usa una estructura flexible con una frecuencia más alta (6,78Mhz), aparte de retrodispersión entre las bobinas. Merced a esta combinación, se pueden cargar múltiples dispositivos al tiempo y desde una sola bobina de transmisión, con orientación flexible y con distancias de hasta 5cm, más que el estándar Qi.

Con la retrodispersión, el transmisor puede determinar cambios en la carga de la bobina transmisora generados por perturbaciones en la carga de la bobina receptora. Al codificar los datos en las alteraciones de la carga de la bobina receptora, esta puede mandarle una señal al transmisor, que, con la ayuda de un demodulador, va a poder acceder a los datos. Merced a la retrodispersión, a un posicionamiento más fácil y a la posibilidad de emplear mayores distancias, la bobina transmisora se puede poner bajo la superficie de un mueble, lo que facilita la carga al usuario y la integración de la tecnología en los sistemas del distribuidor de servicios. El acoplamiento flojo asimismo deja el empleo de una potencia mayor (más de cincuenta W) a fin de que la carga sea más veloz, mas es más bastante difícil de incorporar que las topologías de acoplamiento fuerte.

El Comité de Trabajo de Resonancia Imantada (MRWC) de AirFuel se hace cargo de desarrollar y guardar especificaciones técnicas sobre tecnologías de resonancia imantada para la trasferencia inalámbrica de potencia. Una parte de su trabajo consiste en crear requisitos para un test de conformidad y escenarios de ensayo de interoperabilidad para sistemas retumbantes y multimodo. Por otra parte, el Comité de Trabajo de Tecnologías Sin Acoplamiento (UWC) desarrolla y guarda especificaciones técnicas para la nutrición y la carga inalámbrica a través de métodos no imantados, como la RF, los ultrasonidos y el láser, capaces de proveer energía a una distancia considerablemente mayor.

Una característica esencial de los estándares AirFuel es la comunicación fuera de banda. Esta deja establecer y sostener una comunicación incesante entre el transmisor inalámbrico de energía y el receptor pertinente. Es posible mandar información auxiliar entre los elementos pertinentes del transmisor y el receptor, por servirnos de un ejemplo, la capacidad de carga del dispositivo en cuestión (a fin de emplear el ritmo más alto posible), la autentificación, etcétera Esto es debido a que la comunicación fuera de banda no depende de la trasferencia de nutrición. En este sentido, se pueden emplear diferentes protocolos de comunicación, como Bluetooth de baja energía (BLE) o bien Zigbee. AirFuel aconseja emplear BLE (a dos,4GHz), en tanto que puede cobijar múltiples receptores para un transmisor determinado. Asimismo es compatible con dispositivos que precisen diferentes niveles de nutrición, mayor libertad en concepto de espacio y distancia, seguridad de autentificación, un consumo bajo de potencia y otras muchas peculiaridades intuitivas para la próxima generación de dispositivos en el Internet de las cosas (IoT).

No obstante, el WPC no va a dejar que todo prosiga el guion marcado por AirFuel. Las últimas especificaciones para el transmisor Qi (MP-A16) ya dejan la carga mediante superficies. Esto quiere decir que prácticamente cualquier superficie se puede transformar en un cargador inalámbrico y que es considerablemente más simple adecuar el «hardware» para poder integrarlo en mesas, mostradores, etcétera El sistema se compone de una bobina transmisora que se instala bajo una superficie y un repetidor encima, así como las interfaces para el receptor. Al emplear un repetidor para dirigir el flujo generado por la bobina transmisora, el sistema se puede instalar bajo superficies cuyo grosor sea de entre diez y 30mm.

Los transmisores MP-A16 son completamente compatibles con la base de los receptores WPC, tanto los de un perfil de potencia básico o bien bajo (BPP) como ampliado o bien intermedio (EPP), hasta un máximo de quince W. El beneficio de todo esto es que los dispositivos Qi existentes podrían emplear una superficie de carga instalando un transmisor MP-A16.

La experiencia anterior del WPC en la implementación de redes de carga patentizó un obstáculo esencial para la proliferación de infraestructuras de carga: la obligación de horadar las superficies. Es un trabajo complicado y también irreversible, conque un elevado número de dueños son bastante reluctantes a dejarlo en sus instalaciones. Con los transmisores MP-A16, la instalación de cargadores inalámbricos va a ser considerablemente más sencilla: solo hay que poner un transmisor bajo la mesa y un repetidor encima.

El WPC asimismo tiene el propósito de cargar en exteriores. La carga inalámbrica en estos lugares es en especial bastante difícil, en tanto que las condiciones pueden mudar mucho a lo largo del año (frío extremo, calor extremo, sol, lluvia, granizo, nieve, etcétera). La nutrición de entrada ha de ser asimismo de doce y 24V, y no solo de 5V. Asimismo es indispensable emplear técnicas de encapsulado impermeables a fin de prevenir la entrada de humedad y asegurar la seguridad del equipo de carga, el dispositivo y, sobre todo, el usuario.

Ya se están edificando instalaciones de carga en exteriores en el mundo entero, por servirnos de un ejemplo, en la R. Checa, donde se ha integrado un cargador inalámbrico Qi de superficie en el banco de un parque solar. El WPC espera que la frecuencia de estas instalaciones vaya incrementando conforme los usuarios cambien sus móviles viejos por modelos más nuevos pertrechados con capacidad de carga Qi.

Hoy día, ya hay múltiples opciones atractivas para los desarrolladores de sistemas de carga inalámbrica. Hasta el momento, no obstante, los fabricantes debían desarrollar dispositivos compatibles con todos y cada uno de los protocolos. Por poner un ejemplo, el TS80000 de Semtech es un transmisor capaz de administrar salidas de nutrición de hasta 40W y es compatible con Qi, AirFuel y ciertos protocolos privados. Se puede configurar para nutrir aplicaciones de una o bien múltiples bobinas (sistemas de medio puente y puente completo), decodificar bultos del dispositivo del secundario y ajustar el control en consecuencia. Un filtro PID integrado aporta al circuito la compensación precisa a fin de conseguir una mayor precisión en el control del ciclo de trabajo, la frecuencia o bien la tensión del puente.

Con lo que se ve, no semeja posible que estos 2 conjuntos de estándares se vayan a fusionar. Los dos están desarrollando estándares similares, mas desde diferentes direcciones. Por su lado, los fabricantes de semiconductores no pueden permitirse el lujo de confiar en una opción, con lo que combinan los protocolos en chips programables a fin de que los desarrolladores tengan la mayor flexibilidad posible.

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