Sạc không dây: hai cuộn dây đồng, một từ trường và lý do điện thoại phải nằm đúng tâm | Viết bởi osx

Đặt điện thoại lên một tấm đế tròn, màn hình báo đang sạc dù chẳng có sợi cáp nào cắm vào máy. Điện không bay qua không khí như sóng Wi-Fi, mà được chuyển qua một khe hở vài milimét nhờ hai cuộn dây đồng: một cuộn nằm trong đế sạc, một cuộn nằm sau lưng điện thoại. Hiện tượng làm việc này được nhà khoa học Michael Faraday mô tả từ năm 1831, gọi là cảm ứng điện từ.

Hai cuộn dây và một từ trường đổi chiều

Theo Wikipedia, cuộn phát và cuộn thu khi đặt gần nhau sẽ hoạt động giống hai nửa của một chiếc biến áp. Dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn phát tạo ra một từ trường liên tục đổi chiều. Từ trường này xuyên qua cuộn thu và theo định luật cảm ứng Faraday, sinh ra một điện áp xoay chiều trong cuộn thu. Mạch chỉnh lưu trong điện thoại biến dòng điện đó thành dòng một chiều để nạp vào pin.

Một chiếc iPhone đang sạc trên đế sạc không dây. Đặt máy lên là đế tự nhận ra và bắt đầu truyền năng lượng, không cần cắm cáp vào máy

Đế sạc điện thoại không dùng thẳng điện lưới 50 Hz. Một mạch dao động bên trong tạo ra dòng điện xoay chiều tần số cao hơn nhiều, vì hiệu suất truyền tăng theo tần số. Với các thiết bị theo chuẩn Qi, Wikipedia ghi tần số thường nằm trong khoảng 87 tới 205 kHz, tức dòng điện đổi chiều hàng trăm nghìn lần mỗi giây. Kiểu sạc này có từ lâu trước điện thoại, trên bàn chải đánh răng điện và máy cạo râu, để không lộ tiếp điểm kim loại ở nơi ẩm ướt.

Lượng năng lượng truyền được phụ thuộc vào việc bao nhiêu phần từ trường của cuộn phát thực sự đi xuyên qua cuộn thu. Wikipedia giải thích rằng nếu hai cuộn dây nằm trên cùng một trục và sát nhau, gần như toàn bộ từ trường đi qua cuộn thu và hiệu suất có thể tiến gần 100%. Khi hai cuộn cách xa hơn hoặc lệch trục, từ trường đi trượt ra ngoài nhiều hơn và hiệu suất giảm rất nhanh, gần như tỷ lệ với bình phương mức độ liên kết giữa hai cuộn.

Cuộn phát trong đế sạc tạo từ trường đổi chiều liên tục, cuộn thu trong điện thoại hứng lấy từ trường đó để sinh ra dòng điện. Đặt lệch thì phần lớn từ trường đi trượt

Vì vậy cuộn dây được làm phẳng và rộng, còn khoảng cách giữa hai cuộn rất nhỏ. Theo đặc tả Qi được Wikipedia dẫn lại, ở mức công suất thấp, hai cuộn thường cách nhau khoảng 5 mm và tối đa khoảng 40 mm. Cuộn phát mẫu trong tài liệu tham chiếu Qi có 20 vòng dây, đường kính ngoài 40 mm, đặt trên một lớp chắn từ để từ trường không lan xuống bên dưới.

Phần năng lượng không tới được pin không biến mất mà thành nhiệt. Wikipedia dẫn một thử nghiệm năm 2018 cho thấy với cùng công suất, sạc không dây mất thời gian lâu hơn khoảng 15% so với sạc dây. Một phân tích nghiệp dư năm 2020 trên chiếc Pixel 4 ghi nhận sạc dây từ 0 lên 100% tốn 14,26 Wh, đế sạc không dây tốn 19,8 Wh, còn khi đặt máy lệch trên một đế sạc thông thường thì lên tới 25,62 Wh, nhiều hơn khoảng 80%.

Cộng hưởng: hai âm thoa cùng tần số

Hầu hết hệ thống sạc cảm ứng hiện nay dùng thêm cộng hưởng. Mỗi cuộn dây được nối với một tụ điện để tạo thành mạch cộng hưởng, và cả hai được chỉnh để dao động ở cùng một tần số. Wikipedia so sánh hiện tượng này với hai chiếc âm thoa cùng cao độ: gõ một chiếc thì chiếc kia cũng rung theo. Nhờ vậy hai cuộn dây liên kết mạnh hơn và truyền năng lượng được xa hơn so với cảm ứng thông thường.

Qi là chuẩn mở do tổ chức Wireless Power Consortium phát triển, tên gọi lấy từ chữ khí trong tiếng Trung, nghĩa là năng lượng sống. Phiên bản 1.0 ra mắt năm 2010. Năm 2012, Nokia Lumia 920 là một trong những điện thoại đầu tiên dùng chuẩn này, và từ iPhone 8 năm 2017, mọi iPhone mới đều hỗ trợ Qi.

Bên trong đế sạc Qi Samsung EP-P1300: bên trái là bảng mạch điều khiển, bên phải là cuộn dây đồng quấn phẳng hình xoắn ốc, chính là cuộn phát

Ngày 13/10/2020, Apple giới thiệu MagSafe trên iPhone 12: một vòng nam châm bao quanh cuộn sạc, được Apple mô tả là tối ưu cho việc căn chỉnh và hiệu suất. Bộ sạc MagSafe cho công suất tới 15 W, trong khi sạc Qi thông thường trên iPhone khi đó bị giới hạn ở 7,5 W. Nam châm hút cuộn thu vào đúng tâm cuộn phát, nên người dùng không còn phải dò vị trí.

Tháng 1/2023, Wireless Power Consortium công bố chuẩn Qi2 với phần Magnetic Power Profile dựa trên công nghệ MagSafe của Apple. Thiết bị hỗ trợ phần này dùng vòng nam châm để tự căn chỉnh với đế sạc. iPhone 15 ra mắt năm 2023 hỗ trợ sạc Qi2 15 W, phiên bản Qi 2.2 năm 2025 nâng mức tối đa lên 25 W, và dòng Google Pixel 10 tháng 8/2025 là những điện thoại Android lớn đầu tiên có sẵn nam châm Qi2 trong máy. Cách truyền điện vẫn là hai cuộn dây của Faraday, chỉ khác là giờ đây nam châm giữ chúng nằm đúng chỗ.

Nguồn: Wikipedia: Inductive charging , Wikipedia: Wireless power transfer , Wikipedia: Qi (standard) , Apple Newsroom: Apple announces iPhone 12 and iPhone 12 mini , MacRumors: Apple's New MagSafe Charger Offers 15W Charging , TechCrunch: Wireless Power Consortium is working with Apple to bring MagSafe-like capabilities to Android