AirPower глазами физика: выпустить ее было бы очень сложно
Зарядная станция AirPower, пожалуй, была одним из самых ожидаемых продуктов от Apple за последние нескольких лет: будучи анонсированной на презентации в сентябре 2017 года, старт ее продаж несколько раз переносили, пока 29 марта этого года старший вице-президент Apple по разработке оборудования Дэн Риччио официально не заявил, что компания решила отказаться от ее выпуска.
Конечно, это крайне странно для Apple, которая обычно доводит анонсированные на презентации продукты до выпуска, поэтому давайте посмотрим, что, с точки зрения техники и физики, могло помешать компании сделать это, и для начала мы немного поговорим о самом принципе работы беспроводной зарядки.
Зарядка посредством электромагнитной индукции — немного магии
Итак, что же нам нужно для беспроводной передачи энергии? Всего-то источник питания с переменным электрическим током, пара контроллеров и пара катушек. Переменный электрический ток, попадая на первую катушку, создает переменное магнитное поле по закону Ампера. Если внести в него вторую катушку, то благодаря магии закону электромагнитной индукции Фарадея на ней появится электрический ток:
Конечно, на деле все работает сложнее, и используется резонансная индуктивная связь — но нам для базового понимания это не нужно, поэтому опустим это.
Разумеется, у такого способа передачи энергии есть проблемы: во-первых, потери на тепло — катушки греются. Во-вторых, такой способ зарядки остается достаточно эффективным лишь на очень небольших расстояниях — по стандарту Qi до 4 см. В итоге это приводит к тому, что передать на устройство можно около 5-10 Вт, что сложно назвать быстрой зарядкой.
Но а теперь поговорим о самом интересном: с какими технологическими трудностями столкнулась Apple, и какие из них можно преодолеть, а какие — нельзя.
Зарядка устройства в любом месте станции — сделать реально
Одна из проблем текущих Qi-зарядок — вы должны достаточно точно расположить устройство в ее центре, в противном случае заряд не пойдет. Причина этого с точки зрения физики достаточно простая: чем больше перекрываются катушки, тем больший ток будет индуцироваться на принимающей. А с учетом того, что и так передаются считанные ватты — для сколько-нибудь быстрой зарядки приходится очень хорошо эти катушки совмещать.
Но Apple обещала сделать зарядку в любой точке AirPower — очевидно, что одним контуром-катушкой не обойтись. А вот несколькими — вполне: возникающий в принимающей катушке ток пропорционален изменению магнитного поля через нее за единицу времени, который, в свою очередь, пропорционален площади перекрытия катушек (пожалуй, я опущу расчеты с поверхностным интегралом — скажу лишь, что брал идеальный случай с магнитным полем, строго перпендикулярным катушке. В реальности это не совсем так, и на краях катушки будут «мешать» друг другу, но в общем и целом картину это не изменит).
Поэтому если общая эффективная площадь перекрытия нескольких передающих катушек и приемной будет сопоставима с аналогичной площадью перекрытия в привычных нам беспроводных зарядках с одним передающим и одним принимающим контуром, то энергетических потерь будет немного, и такая система действительно будет работать и заряжать устройство в любой точке зарядной станции, где есть передающие катушки.
Зарядка нескольких устройств — работать будет
Пожалуй, с этим пунктом вопросов вообще нет: раз у нас вся поверхность AirPower усеяна катушками, то никто не мешает использовать их все для зарядки любого количества гаджетов, которые только удастся расположить на ней. В случае с AirPower Apple говорила о трех устройствах — но, в общем и целом, вполне возможно, что если бы она вышла, вы смогли бы зарядить с ее помощью, например, четыре-пять Apple Watch — судя по рендерам, такое количество умных часов смогло бы расположиться на поверхности этой зарядной станции.
Умная зарядка нескольких устройств — реализовать можно, но дорого
Очевидно, что нельзя просто так взять и передавать на устройство строго 5-10 Вт все время, пока оно заряжается — это крайне негативно скажется на аккумуляторе, поэтому обычно где-то после зарядки до уровня в 80-90% ток начинает плавно снижаться почти до нуля. И, разумеется, стандарт Qi позволяет зарядному устройству «общаться» с заряжаемым девайсом и передавать на катушку определенную мощность в каждый момент, дабы заряжать АКБ оптимальным током.
Но все хорошо работает, если заряжается один девайс. А если их два или три? Тут уже одним контроллером не обойтись — придется их ставить в пару к каждой катушке. И вот если последние, по сути, представляют собой всего-то витки медной проволоки, которые стоят достаточно дешево, то вот контроллеры — это микросхемы, которые стоят существенно дороже.
Плюс нужен будет какой-нибудь общий процессор (например, Apple T-линейки, которые ставятся в Mac) для управления всей этой системой. В итоге электроники нужно много, и стоит она дорого: конечно, мы не знаем, во сколько все это обходится Apple, но вполне возможно, что достаточно дорого для того, чтобы выпуск такой зарядной станции оказался бы невыгодным.
Что в результате? Казалось бы, никаких проблем с реализацией нет: в теории, можно сделать так, чтобы девайсы заряжались в любой точке AirPower в любом количестве и с правильными токами. Но вот физика вводит свои ограничения, и о них мы поговорим ниже.
Мощность свыше 100 Вт — как тебе такое, Тим Кук?
Давайте попробуем приблизительно посчитать, какую мощность нужно будет дать всем катушкам на поверхности AirPower, чтобы они передали на устройства 7.5 Вт — именно столько могут принять iPhone с беспроводной зарядкой. КПД при такой передаче по стандарту Qi оказывается на уровне около 75%. Если верить фотографии с презентации Apple, то площадь их зарядной станции где-то вдвое больше, чем у iPhone X:
Иными словами, она составляет порядка 20000 мм2. В среднем одна Qi-катушка имеет диаметр около 50 мм — значит, ее площадь около 2000 мм2, то есть внутри AirPower их поместится порядка 10 штук. С учетом мощности на каждой в 7.5 Вт и КПД 75% мы получаем, что сама зарядная станция будет потреблять... около 100 Вт — это даже больше, чем может выдать стандартная зарядка для MacBook 15", она рассчитана на 87 Вт.
Конечно, возникает вопрос — а зачем включать все катушки? Почему бы не использовать только тот набор, который нужен для зарядки тех гаджетов, которые сейчас находятся на зарядной станции?
Это кажется логичным: один iPhone скорее всего перекроет собой пару катушек, так что едва ли AirPower будет с ним потреблять больше 15-20 Вт. Но давайте посмотрим на рендер, представленный Apple — отлично видно, что три устройства перекрывают почти всю площадь зарядной станции, причем расстояния между ними куда меньше диаметра одной катушки (50 мм):
Так что при зарядке сразу трех гаджетов придется использовать все катушки, что выльется в очень большое энергопотребление.
Портативная грелка с выделением тепла как от MacBook
Думаю, ситуация знакома всем пользователям MacBook (да и вообще ультрабуков): стоит нагрузить его вычислительными задачами, как начинает ощутимо шуметь вентилятор и греться корпус. А ведь зачастую внутри стоит процессор с TDP всего-то 15-28 Вт — и он даже с активным охлаждением часто греется под 90 градусов.
А теперь представим нашу AirPower, которая заряжает сразу три устройства — как мы уже выяснили выше, на это потребуется свыше 100 Вт энергии, и с учетом КПД 75% порядка 25 Вт из них уйдут в тепло — в итоге зарядная станция нагреется очень сильно, соответственно нагреет и лежащие на ней девайсы, а заряжать их при высоких температурах опасно. Конечно, можно встроить в AirPower вентилятор, но это будет шумно — ведь хватает людей, которые ставят заряжаться девайсы на ночь, и им такое решение не подойдет.
Итог: горячо, энергозатратно и дорого
Что же мы получаем? В теории, конечно, сделать AirPower можно, но вот на практике из-за сложной электроники внутри она оказалась бы дорогой, из-за большого числа катушек — требовательной к энергии, а из-за не самого высокого КПД — еще и горячей. Стоило Apple выпускать такой продукт? Очевидно, едва ли — уж лучше сразу извиниться и сказать, что не получилось, чем потом быть заваленной горой негативных отзывов из-за проблем, указанных в названии пункта. Но а если вы ждали AirPower — могу лишь порекомендовать обратить внимание на решения сторонних брендов: да, они не так продвинуты, но зато уже есть в продаже.
Обзоры крутых гаджетов и технологий:
Готовы к Евро-2024? А ну-ка, проверим!
Для всех поклонников футбола Hisense подготовил крутой конкурс в соцсетях. Попытайте удачу, чтобы получить классный мерч и технику от глобального партнера чемпионата.
А если не любите полагаться на случай и сразу отправляетесь за техникой Hisense, не прячьте далеко чек. Загрузите на сайт и получите подписку на Wink на 3 месяца в подарок.
Реклама ООО «Горенье БТ», ИНН: 7704722037
Правда или нет? Заряжать гаджеты нужно только «родными» аксессуарами
В тёмные доисторические времена каждый производитель гаджетов имел свой стандарт зарядок с различными характеристиками, формой коннекторов и их распиновкой — попытка зарядить телефон неоригинальным блоком питания могла даже привести к эффектному взрыву аккумулятора. Благодаря усилиям еврокомиссии и крупных компаний хаос удалось ликвидировать: большинство производителей смартфонов перешли на micro-USB. Несмотря на это, страхи заряжать устройства не «родными» зарядками до сих пор бытуют среди нас. Мы разберёмся, имеют ли они под собой основание.
Миф. Заряжать смартфон или планшет нужно только оригинальными зарядками.
Разъём mini-USB сменил micro-USB, а теперь многие смартфоны уже оснащаются разъёмом USB Type-C. Базовые электрические характеристики многих зарядных устройств остались прежними: напряжение пять вольт и сила тока полампера были и остаются константой.
Конечно, 2,5 Вт — явно недостаточно для современных гаджетов. Сейчас уже никого не удивишь зарядными устройствами с большими силой тока и напряжением, предназначенными для устройств с аккумуляторами высокой ёмкости или для быстрой зарядки. Зарядные устройства первого типа используют увеличенную силу тока для того, чтобы быстро заряжать ёмкие батареи. Именно к этому классу относится большинство современных зарядников, которые обеспечивают напряжение в 5 В и максимальную силу тока в 1–2,5 А. И хотя не все устройства рассчитаны на зарядку большим током, от мощного блока питания гаджет возьмёт ровно столько энергии, сколько ему нужно. Процессом в современных смартфонах и планшетах управляют контроллеры, которые не станут подавать на аккумулятор чрезмерную мощность, способную ему навредить.
С быстрыми зарядниками ситуация обстоит немного иначе. Современные стандарты вроде Quick Charge 3.0 или USB Power Delivery предполагают использование напряжения до 20 В, что, в теории, способно навредить не предназначенному для такой величины смартфону. Однако все технологии, которые используют нестандартное напряжение, требуют поддержки как со стороны зарядного устройства, так и со стороны гаджета. Для проверки совместимости устройство и блок питания обмениваются информацией, и, если несложная проверка пройдена, начинается быстрая зарядка. В случае использования блоком питания и смартфоном разных технологий зарядка тоже начнётся, но напряжение при этом будет номинальным, а силу тока контроллер внутри смартфона будет ограничивать самостоятельно.
На самом деле, с быстрыми зарядниками дело обстоит немного сложнее, чем мы описали выше. Например, некоторые из технологий имеют взаимную совместимость.
Зарядка для планшета и зарядка для смартфона
Популярная разновидность вынесенного в заголовок вопроса — а можно ли заряжать смартфон зарядным устройством от планшета? Как мы уже сказали, гаджеты самостоятельно ограничивают потребляемый ток, так что вы можете подключать смартфон к зарядному устройству планшета и ни о чём не беспокоиться.
А вот если попытаетесь зарядить планшет маломощным блоком питания для смартфона, у вас, с большой долей вероятности, ничего не получится. Большинство планшетов имеют более ёмкие аккумуляторы, поэтому их подключение к розетке должно осуществляться через адаптер большой мощности. Если это не так, зарядка будет осуществляться слишком медленно либо вовсе не начнётся. Большинство планшетов сообщают о такой ситуации различными способами — например, всплывающим сообщением или изменением значка батареи в панели уведомлений.
Беспроводная зарядка: прожарка medium well
Алгоритм беспроводной зарядки похож на таковой у быстрой: сначала зарядное устройство и гаджет должны установить соединение (на этот раз беспроводное) и согласовать режимы, а уже потом запускать сам процесс. Пока вы пользуетесь качественными зарядными устройствами, максимум, что может пойти не так — не совпадут стандарты смартфона и зарядника, и процесс «кормления» не начнётся.
Несмотря на кажущуюся безопасность беспроводной зарядки всё же известны случаи выхода из строя гаджета при её неправильном использовании. Это касается в первую очередь смарт-часов. Смартфоны используют стандартизованные зарядки Qi или PMA, а вот смарт-часы большинства компаний рассчитаны на проприетарные протоколы. В сети появлялись сообщения о нескольких случаях буквального «поджаривания» Samsung Gear S3. Причём, проблемы возникали не только при использовании дешёвого аналога зарядного устройства, но с оригинальным блоком, но от предыдущей модели гаджета. В первом случае причиной поломки девайса стала увеличенная на 300 мА сила тока, а во втором — плохой контакт между тыльной стороной часов и зарядником из-за разной формы.
Сторонние зарядные устройства: блеск и нищета
Прочитав статью до этого момента, вы могли подумать, что сторонние аксессуары вовсе не могут навредить гаджетам (если речь не идёт о носимой электронике с беспроводными зарядниками), а потому можно прямо сейчас купить китайский зарядник для планшета на три ампера за пару долларов. Но это будет плохой идеей: качество неоригинальных устройств варьируется от мусорного до лучшего по сравнению с оригиналом. И уж точно не стоит гнаться за дешевизной: именно копеечные блоки питания и USB-кабели часто становятся причиной пожаров из-за перегрева, короткого замыкания или взрыва конденсаторов.
Немного по-другому обстоят дела с гаджетами Apple. «Яблочная компания» остаётся единственным крупным игроком на рынке, так и не принявшим в своих мобильных гаджетах стандарт USB. Вместо этого Apple использует разъём Lightning с отличительной особенностью — обязательным наличием чипа. Это касается, в том числе, самых обычных кабелей: записанная в специальной микросхеме информация гарантирует, что вы используете оригинальный либо сертифицированный производителем аксессуар.
А если вы вставите в iPhone один из дешёвых китайских кабелей, скорее всего, увидите примерно такое сообщение:
Подобное отношение Apple к аксессуарам от сторонних производителей нравится не всем владельцам её устройств, но заметно снижает риск нежелательных последствий от использования безымянных зарядников и кабелей. Впрочем, методы обхода защиты Apple улучшаются едва ли не быстрее самой защиты, поэтому пренебрегать описанными выше правилами всё равно не стоит.
Заключение
Подытожим сказанное. Не нужно бояться сторонних зарядных устройств и кабелей, но при выборе стоит смотреть в сторону известных брендов и читать отзывы, а также не гнаться за низкой ценой — в противном случае неоригинальные аксессуары действительно могут навредить. Особенно внимательно следует подходить к выбору быстрых зарядников с большим выходным напряжением и силой тока, а также кабелей для них — некачественные компоненты и сборка могут даже стать причиной пожара.
А вот уже купленным быстрым зарядником можно «кормить» даже гаджеты без поддержки этой технологии. Смартфоны и другие устройства самостоятельно контролируют количество потребляемой энергии, а переход в режим быстрой зарядки невозможен без предварительного «сговора» аппарата и зарядного устройства.
Если вы выбираете беспроводное зарядное устройство, обязательно проверьте соответствие стандартов его и вашего смартфона, а если речь идёт о носимых гаджетах, то от сторонних аксессуаров лучше всё-таки отказаться.
И, конечно же, не стоит забывать о других элементарных правилах безопасности — не класть заряжающиеся устройства под подушку и не оставлять под прямыми солнечными лучами. Если вы будете следовать этим советам, гаджеты прослужат долго, а риск столкнуться с неприятностями будет минимальным.
Взято отсюда: http://4pda.ru/2017/09/21/346883/