Langaton lataaminen on tulossa vauhdilla mobiililaitteisiin. Työtä kuitenkin riittää. Standardien pitää yhdentyä ja hyötysuhteen parantua. Myös uusia tekniikoita kehitetään.

Kirjoittaja Landa Culbertson työskentelee Mouser Electronicsin Dallasin yksikössä. Hänellä on 18 vuoden kokemus elektroniikkateollisuudessa pienistä startupeista Fortune 500 -listan yrityksiin.

Mobiililaitteissa on nykyään jatkuvasti päällä GPS-paikannus ja langaton verkkoyhteys. Ne toistavat videota ja musiikkia, ja erilaisia sovelluksia käytetään lähes jatkuvasti. Siksi niiden toiminta-aika on lyhentynyt, vaikka akkutekniikka on kehittynyt. Tämä on luonut tarpeen helpommalle tavalle ladata mobiililaitteita. Markkinoille onkin tullut langattomia latausjärjestelmiä, joissa tarvitsee vain asettaa laite latausalustalle, jotta laitteiden akkuun ladataan virtaa. Enää ei tarvitse liittää latureita minikokoisilla liittimillä, jotka lopulta aina kuluvat. Enää ei tarvitse hamuta pimeässä pistokkeiden perään. Enää ei tarvitse auttaa lapsia laitteiden lataamisessa, vaikka ne olisivat tiukasti koteloituija vesitiiviitä laitteita. Nyt voi asettaa kännykkänsä ravintolan pöydälle ja lähteä laite ladattuna ruokailun jälkeen.

IHS:n mukaan vuonna 2012 myytiin ainakin viisi miljoonaa langattoman latauksen laitetta. Vuonna 2015 määrän ennustetaan kasvavavn 100 miljoonaan. Luku sisältää älypuhelimien lisäksi MP3-soittimia, digikameroita ja muuta mobiilia elektroniikkaa.

Historia

Langattoman sähkön konsepi ei ole uusi. Nikola Tesla, jonka työ sähkön parissa määrittelee ison osan modernia elämäntyyliämme, esitteli mantereiden välisen langattoman sähkönsiirron huomiotaherättävästi jo vuonna 1891.

Tesla yritti esitellä sähkömagneettisn induktion periaatettta, jonka löysi Michael Faraday vuonna 1931. Idean mukaan johdossa kulkeva sähkövirta voi aiheuttaa virrankulun lähellä olevaan toiseen johtoon. Teslan idea oli aikaansa edellä ja vaikka pitkän matkan langatonta sähkönsiirtoa tutkitaan tänään, se ei vieläkään ole käytännöllisesti toteutettavissa.

Lyhyen kantaman langaton sähkö eli langaton lataaminen on sen sijaan arkipäivää. Nyt yleisimmät langattoman lataamisen esimerkit ovat sähköhammasharjat ja ladattavat partakoneet, joita on ollut kodeissa on 1990-luvulta lähtien. Vähemmän tunnettuja ovat bioimplantit, jotka saavat virtansa magneettisesta induktiosta suljetuissa, ankarissa ja herkissä ympärsitöissä kuten ruumiissamme.

Langattoman latauksen Qi-tekniikka

Langattoman latauksen kehitystä vetää tekniikka nimeltä Qi. Langattomien latausalustojen ja ladattavien mobiililaitteiden yhteensopivuuden saavuttamiseksi lähes 200 yritystä - puolijohdetaloja, kännykkävalmistajia ja operaattoreita - perusti WPC-yhteenliittymän (Wireless Power Consortium) vuonna 2008 ja julkisti Qi-standardin vuonna 2009. Sen jäljeen markkinoille on tuotu yli 350 Qi-yhteensopivaa laitetta. Qi-latausalustoja voi ostaa kaupoista tai verkosta Amazonin ja eBayn kaltaisista palveluista. Kännyköihin voi ostaa jälkikäteen Qi-koteloita. Valmistajat ovat alkaneet integroida Qi-tekniikkaa suoraan laitteisiin, kuten Nokia Lumia 920, Google Nexus 4, LG Optimus LTE2 ja Panasonicin Eliga-puhelimet. WPC kertoi syyskuussa 2012 että Qi-latauksella varustettuja puhelimia oli myyty jo 8,5 miljoonaa.

Paljonko langaton Qi-järjestelmä sitten maksaa? Yhdelle laitteelle tarkoitettu alusta, jossa laite pitää asettaa tiettyyn asentoon latauksen alkamiseksi, maksaa 30-50 dollaria. Hieman isommalla summalla voi ostaa alustan, jolle laitteen voi asettaa vapaasti mihin tahansa asentoon. Kolmelle vapaasti asetetulle laitteelle alustan saa 75 dollarilla. Qi-latauksen laitteeseen tuovan kotelon voi saada viidellä dollarilla. Ottaen huomioon, mitä kaikkia laitteita Qi:llä voi ladata, hinnat ovat varsin edullisia.

Kohti langattoman latauksen standardia

Kuluttajan näkökulmasta langattoman latauksen standardin etu on yhteensopivuus. Erilaisille kodin langattomille laitteille tarvitsee ostaa vain yksi latausalusta. Kun istuu kahvilla nauttimassa ilmaisesta wifi-yhteydestä voisi samalla ladata mobiililaitteensa langattomasti ilman huolta siitä, tukeeko mobiililaite lataustekniikkaa. Standardin kannattajien mukaan se vähentäisi kuluttajien hämmennystä ja edesauttaisi laajaa käyttöönottoa.

Kilpailevat standardit ja yrityskohtaiset protokollat

Qi perustuu magneettiseen induktioon kahden käämin välillä, joista toinen (lähetin) on latausalustassa ja toinen (vastaanotin) mobiililaitteessa. Tästä aiheutuu tiettyjä vaatimuksia ja rajoituksia.

Ensinnäkin jokaista ladattavaa laitetta varten täytyy olla yksi lähetin. Toiseksi tehon siirtäminen maksimiteholla ja yhteyden toimiminen edellyttää, että käämien välinen maksimietäisyys on korkeintaan neljä senttia. Kolmanneksi vastaanottimen pitää olla tietyssä asennossa suhteessa lähettimeen, vaikka Qi tukeekin laitteen asettamista alustalle vapaasti 3-8 lähetinkäämin hyödyntämisen myötä. Qi:n rajoitukset ovat johtaneet siihen, että uudet standardointiyhteisöt edistävät uusia tekniikoita, jotka korjaavat joitakin Qi:n keskeisiä puutteita.

Tällä hetkellä langattoman lataamisen hallitsevaksi peluriksi yrittää kolme standardijärjestöä. Asemansa vakiinnuttaneen WPC lisäksi kisassa ovat mukana maaliskuussa 2012 perustettu Power Matters Alliance (PMA) ja toukokuussa samana vuonna perustettu Alliance for Wireless Power (A4WP). PMA:n Power 2.0 -tekniikka hyödyntää magneettista induktiota, joka toimii hyvin samoin kuin Qi. Sen etuna on ohjelmisto, jonka ansiosta Starbucksin ja McDonaldsin kaltaiset toimijat voivat monitoroida ja hallita latauspisteidensä käyttöä. A4WP ajaa puolestaan standardiksi Qualcommin kehittämää WiPower-tekniikkaa. WiPower käyttää magneettista resonanssia, joka eroaa magneettisesta induktiosta ja toimii lisäksi korkeammilla taajuuksilla kuin Qi ja Power 2.0.

Magneettisessa resonanssissa sähköenergia siirtyy kahden käämin välillä, jotka on viritetty värähtelemään samalla taajuudella. Kun sekä lähetin että vastaanotin värähtelevät samalla taajuudella, vastaanotin muuntaa lähettimen generoimasta sähkömagneettisesta kentästä tulevan tehon sähkövirraksi, jolla voidaan sähköistää tai ladata mobiililaite. Magneettisella resonanssilla on kolme keskeistä etua. 1) Useiden tuumien latausvälimatka sekä latauksen onnistumisen myös esteiden ja pintojen läpi, 2) latausalustalla voi ladata useita laitteita samanaikaisesti, ja 3) latausta vastaanottavien laitteiden aseman ja asennon joustavuus. A4WP:n puolestapuhujat kutsuvat näitä etuja "tilalliseksi vapaudeksi" (spatial freedom).

Jotkut yritykset suosivat omia protokolliaan (joskus standardien lisäksi), mahdollisesti lisensointioikeuksien takia. Intel, Apple ja WiTricity (jota autoteollisuuden jätit Toyota, Mitsubishi ja Delphi tukevat) ovat tällaisia ja lisäksi jokainen on riittävän suuri vaikuttaakseen langattoman latauksen markkinoihin. Allaoleva taulukko auttaa selventämään kolmen sähkömagneettiseen kytkentään perustuvan langattoman latausstandardin eroja.

Langattoman latauksen kilpailevien standardien vertailua.

Uusia kehitysaskelia: Standardien yhdentyminen ja Mixed Mode -ratkaisut

Lähitulevaisuudessa standardeja yritetään yhdenmukaistaa. Vähän aikaa sitten A4WP:n toissa vuonna perustanut Qualcomm yllättäen liittyi sekä WPC- (syyskuussa 2013) että PMA-järjestöihin (lokakuussa 2013). Qualcommin julkilausuttu tavoite on antaa WPC:lle ja PMA:lle mahdollisuus hyödyntää A4WP:n työtä magneettisen renonanssin parissa. PMA:ssa Qualcomm johtaa yhdessä WiTricityn kanssa työryhmää, jossa määritellään "dual-mode" -tekniikka, joka tukisi sekä magneettista induktiota että magneettista resonanssia. Oman magneettisen resonanssitekniikan versionsa kanssa työskentelevä WPC tulee luultavasti myös olemaan kiinnostunut työryhmän työn tuloksista yritttäessään pidentää lähettimien ja vastaanottimien välistä etäisyyttä.

Piirien toimittajat ovat jo innostuneet eri tekniikoita tukevista ratkaisuista. Integrated Device Technology (IDT) tarjoaa laitevalmistajilla langatonta lähetinpiiriä IDTP9030 sekä langatonta vastaanotinta IDTP9020, jotka molemmat kykenevät "multi-mode" -toimintaan. IDT:n piirit tukevat sekä Qi-standardia että yrityskohtaisia protokollia, joilla saadaan lisäominaisuuksia, parempi turvallisuustaso ja kasvatettua lähtöteho aina 7,5 wattiin saakka. Dynaamisen kytkennän ansiosta siirtymä Qi:n ja yrityskohtaisten moodien välillä on saumatonta.

Qi-määritysten laajentaminen

Tällä hetkellä Qi-standardista on käytössä vain matalatehoinen versio, joka tukee mobiililaitteiden latausta 5 wattiin asti. WPC työskentelee keskitehoisen määrityksen parissa, joka tuottaisi jopa 120 watin tehon suurempien laitteiden kuten tablettien, sylimikrojen ja vaikkapa akkuporakoneiden lataamiseen.

Tehokkuuden parantaminen

Sähkömagneettisella langattomalla latauksella on yksi suurempikin haaste, nimittäin luontaisesti alhaisempi hyötysuhde kuin ladattaessa verkkovirrasta tai USB:n kautta. Tämä johtuu häviöstä, kun tehoa siirretään ilmateitse lähettimen ja vastaanottimen välillä. Langattomassa lataamisessa järjestelmien hyötysuhde on tyypillisesti noin 70 prosenttia. Huolellisella suunnittelulla, paremmalla suojaamisella, laadukkailla komponenteilla ja uusilla tekniikoilla kuten ultraohuilla käämeillä, joilla häviöitä voidaan pienentää, voidaan hyötysuhdetta kasvattaa 80-85 prosenttiin.

Langattoman lataamisen alhaisempi hyötysuhde on suhteellisen hyväksyttävää matalatehoisten mobiililaitteiden lataamisessa. Mutta hukattu teho vapautuu lämpönä ja tämä on turvallisuuskysymys suurempitehoisissa sovelluksissa. Tehon hukkaaminen merkitsee myös hukattua energiaa, joka ei miellytä ympäristötietoisia ja merkitsee myös rahan hukkaamista. Tämän takia suurempien laitteiden kuten televisioiden tai jääkaappien langaton lataaminen ei ole tällä hetkellä toteutettavissa.

Sähköautojen latausmarkkinoiden kannalta hukkateho kääntyy pidemmiksi latausajoiksi. Jotta sähköautojen langaton lataaminen voisi saavuttaa suosiota, latausajan täytyy lähestyä sitä aikaa, joka kuluu auton tankin täyttämiseen. Amerikkalainen HEVO (Hybrid & Electric Vehicle Optimization) yrittää kiertää ongelman kehittämällä magneettiseen resonanssiin perustuvia latausasemia, joita asennetaan pysäköintilaitoksiin. Ajatuksena on, että sähköautojen lataamisesta tulee yhtä helppoa kuin pysäköimisestä. Kuskin pitää vain valita parkkipaikka, josta huomaamaton HEVO-lataustekniikka löytyy - se näyttää kaivonkannelta - ja se riittää. HEVO:n ilmainen sovellus ohjaa oikeaan aentoon latausta varten, ja sovellus huolehtii myös mobiilimaksamisesta. Autoon tarvitaan vain HEVO-vastaanotin. Yhtiö kaavailee toiminnan aloittamista New Yorkissa jo tämän vuoden aikana. RnRMarketResearch ennustaa, että sähköautojen langattoman lataamisen markkinat kasvavat tämän päivän 1,7 miljoonasta dollarista 4,6 miljardiin dollariin vuoteen 2019 mennessä.

NFC-tekniikka (Near Field Communication)

Lyhyen kantaman NFC-tekniikka alkaa myös löytämään oman paikkansa langattoman lataamisen maailmassa. Esimerkiksi viime vuoden CES-messuilla eli Consumer Electronics Show´ssa NXP Semiconductors demosi vkahta eri latausstandardia yhtäaikaisesti tukevaa latausalustaa. Demo osoitti myös, että NFC:tä voidaan käyttää tunnistamaan oikea standardi ja aloittamaan lataus oikealla tekniikalla.

Jotkut yrittävät myös kehittää langatonta sähkönsiirtoa NFC:llä pienten laitteiden lataamiseen. Tässä visiossa NFC-laitteet voisivat vastaanottaa sähköä, kun ne asetetaan esimerkiksi sylimikron päälle. Tekniikka vaatii vielä kehitystä, sillä esimerkiksi nykyistä NFC-antennisuunnittelua pitää optimoida tehokkaaseen sähkön langattomaan siirtämiseen. Lisäksi NFC-standardia pitää laajentaa tukemaan langatonta sähkönsiirtoa.

Tulevaisuus

Langattoman lataamisen tulevaisuutta on vaikea ennustaa, koska se ei riipu vain tekniikan suorituskyvystä. Markkinointi ja taloudelliset kysymykset (IP-oikeudet ja lisensointi) vaikuttavat myös kehityksen suuntaan. Monet pelissä mukana olevat yritykset ovat suuria yrityksiä, joilla on myös mahdollisuus muuttaa kehityksen suuntaa milloin tahansa.

Kehityksen alla on myös vaihtoehtoisia langattoman sähkönsiirron tekniikoita, kuten ultraääni tai aurinkovoima, jotka eroavat sähkömagneettisista lähestymistavoista.

Sen tiedämme, että käyttömukavuus saa kaikki etsimään uusia, parempia, pienempia, nopeampia ja kustannustehokkaampia ratkaisuja langattomalle sähkölle.