Когда появилась беспроводная зарядка для телефона
По мнению многих аналитиков и экспертов, в наступившем году системы беспроводной подзарядки наконец-то перестанут быть экзотикой и начнут победное шествие на рынке мобильных устройств.
Последний кабель
Характеризуя то или иное электронное устройство, мы всё чаще пользуемся набором прилагательных «мобильное» и «беспроводное». Действительно, современные мобильные устройства, за редким исключением, уже невозможно представить без набора беспроводных интерфейсов. Именно с их помощью осуществляется подсоединение к каналам широкополосной связи (сотовым сетям, зонам беспроводного доступа, локальным сетям дома и в офисе и т.д.), периферийным устройствам (гарнитурам, наушникам, акустическим системам, накопителям), другим мобильным гаджетам и компьютерам.
Однако есть одно обстоятельство, которое пока не позволяет называть мобильные устройства в полной мере беспроводными. Ведь даже владельцам безумно дорогих ультрасовременных смартфонов и планшетов по-прежнему приходится мириться с необходимостью регулярно подключать кабель к внешнему источнику питания для подзарядки аккумуляторной батареи, обеспечивающей работу мобильного устройства в автономном режиме. А учитывая отменный аппетит современных гаджетов, оснащенных большими дисплеями высокого разрешения, многоядерными процессорами и набором беспроводных интерфейсов, делать это приходится практически ежедневно.
Можно ли считать мобильное устройство в полной мере беспроводным,
если для его подзарядки необходимо подключать кабель?
Нельзя сказать, что производители не предпринимают усилий для решения этой проблемы. Одним из важных шагов, позволивших значительно облегчить жизнь конечных пользователей, стала стандартизация электрических характеристик и разъемов для подключения внешних источников питания. Значительную часть ныне выпускаемых мобильных устройств можно подзаряжать от порта USB, используя для подключения стандартный интерфейсный кабель. С одной стороны, прогресс очевиден: вместо полудюжины разнокалиберных адаптеров, каждый из которых был оснащен кабелем с уникальным разъемом, теперь вполне можно обойтись одним универсальным источником питания с розеткой USB. С другой стороны, окончательно избавиться от извивающихся по столу проводов всё же пока не удалось. И если в домашней обстановке проводное подключение внешнего источника питания еще можно считать приемлемым вариантом, то в мобильных условиях необходимость подсоединения даже одного кабеля создает множество неудобств.
Декоративные светильники Philips Imageo комплектуются
беспроводным бесконтактным зарядным устройством
Одним из способов окончательного решения данной проблемы является внедрение технологий, позволяющих передавать электрическую энергию на небольшие расстояния без использования кабелей. Принцип работы подобных систем известен уже более века, да и примеров их успешного применения в различных устройствах можно найти немало. Так, в графических планшетах компании Wacom уже более десятка лет применяются беспроводные безбатареечные перья, получающие питание от планшета. В продаже представлены электрические зубные щетки, электробритвы и декоративные светильники, встроенные аккумуляторы которых подзаряжаются бесконтактным способом. Еще один пример — смарткарты, используемые в качестве электронных пропусков, проездных билетов и т.д. В такой карте есть миниатюрный чип, но нет встроенного источника питания. Необходимый для работы ток чип получает от считывающего терминала (валидатора) при помощи встроенной в карту антенны.
Стандартизация — залог успеха
В современных условиях одним из важных слагаемых успеха любой технологии, разработанной для внедрения в массовых устройствах, является стандартизация. Даже самые передовые решения будут малопривлекательными для конечных пользователей до тех пор, пока сфера их применения ограничена продукцией одного (пусть даже крупного и хорошо известного) производителя. За примерами далеко ходить не надо: вспомните хотя бы носители MiniDisc и флэшкарты формата Memory Stick компании Sony.
Неудивительно, что производители оборудования, заинтересованные во внедрении технологий бесконтактной беспроводной подзарядки, начали решение этого вопроса с создания единого индустриального стандарта. С этой целью 17 декабря 2008 года была основана организация Wireless Power Consortium (WPC). Изначально в ее состав вошли представители компаний ConvenientPower, Fulton Innovation, Logitech, National Semiconductor, Royal Philips Electronics, Sanyo Electric, Shenzhen Sang Fei Consumer Communications и Texas Instruments. Впоследствии список членов WPC постоянно расширялся (в него, в частности, вошли такие известные производители, как Olympus, Nokia и Energizer) и к настоящему моменту включает более ста компаний.
Логотип стандарта Qi
Весной 2010 года члены Wireless Power Consortium завершили работу над текстом спецификации первой части стандарта беспроводных зарядных устройств малой мощности (до 5 Вт), получившего название Qi (читается «ки»). В этом документе описываются требования к беспроводным зарядным станциям и ресиверам, встраиваемым в мобильные устройства. Также были утверждены процедуры тестирования и сертификации устройств на соответствие требованиям стандарта Qi и совместимость с соответствующим оборудованием других производителей.
К сожалению, избежать «войны стандартов» в сфере беспроводных зарядных устройств вряд ли удастся. В начале мая минувшего года компании Samsung Electronics и Qualcomm основали альянс Alliance for Wireless Power (A4WP) — независимую организацию для продвижения и стандартизации решений в области беспроводных зарядных устройств, а также тестирования и сертификации соответствующего оборудования. Нетрудно заметить, что A4WP является прямым конкурентом WPC.
В конце октября прошел симпозиум A4WP, на котором участники альянса обсуждали основные положения спецификации. В качестве базовой была выбрана технология магнитного резонанса в ближнем поле. Основные положения спецификации A4WP предусматривают возможность одновременной подзарядки нескольких устройств различной мощности и создания зарядных поверхностей, встраиваемых в автомобили, мебель и т.д.
Есть информация о том, что компания Apple также ведет работы по созданию систем беспроводной зарядки для своих устройств. Впрочем, это вряд ли волнует кого-нибудь, кроме обладателей гаджетов «яблочной» компании.
Преимущества и ограничения
Главные преимущества беспроводной подзарядки — отсутствие кабелей и максимальная простота использования. Чтобы зарядить мобильное устройство, достаточно положить его на поверхность специального планшета, после чего будет автоматически установлено соединение и начнется процесс подзарядки.
Конструкция и принцип работы зарядных планшетов обеспечивают высокую безопасность и надежную защиту от неблагоприятных воздействий. Эффективный радиус действия ныне выпускаемых систем не превышает нескольких миллиметров, а мощность электромагнитного излучения быстро ослабевает по мере удаления от его источника. Так что в этом смысле беспроводные зарядные устройства гораздо безопаснее таких столь привычных нам приборов, как микроволновые печи и мобильные телефоны.
Беспроводной зарядный планшет Energizer, рассчитанный
на два устройства
Беспроводной зарядный планшет можно сделать полностью герметичным — в таком случае пролитая на его поверхность жидкость не приведет к возникновению неисправностей и поломок. Это позволяет создавать зарядные поверхности, встраиваемые в кухонную мебель или в столики кафе. А благодаря механизму автоматического обнаружения приемных устройств, планшету не нанесут вреда даже металлические предметы (ключи, монеты и т.п.), случайно оказавшиеся на его поверхности.
Еще одно преимущество, о котором хотелось бы упомянуть, — отсутствие электрического контакта между зарядным устройством и заряжаемым аппаратом. Это значительно снижает риск повреждения последнего при резких колебаниях и бросках в электросети, а также при выходе из строя зарядного устройства.
Демонстрация работы прототипа
«многоместного» зарядного планшета
По большому счету, развитие систем беспроводной подзарядки только начинается, поэтому приходится считаться с определенными ограничениями. Как уже было упомянуто, действующая спецификация стандарта Qi позволяет подключать устройства, потребляющие не более 5 Вт. Этого вполне достаточно для питания беспроводной гарнитуры, смартфона или портативной игровой приставки. Однако для подзарядки аккумулятора цифрового фотоаппарата, а тем более ноутбука требуется значительно более высокая мощность. Таким образом, сфера применения беспроводных зарядных устройств пока ограничена лишь относительно маломощными гаджетами.
Для достижения приемлемой эффективности передачи электроэнергии необходимо точно совмещать катушки приемника и зарядной поверхности. По этой же причине существует жесткое ограничение по максимальному расстоянию между катушками приемного и передающего модулей: в ныне выпускаемых устройствах оно не может превышать нескольких миллиметров.
Внутренняя компоновка беспроводного
зарядного устройства с массивом катушек
Способы обеспечения точного совмещения катушек приемного и передающего модулей описаны в действующей спецификации стандарта Qi. В частности, предусматривается возможность создания зарядных устройств с подвижной катушкой либо с массивом катушек. Реализация этих решений позволяет конечным пользователям не заботиться о точном совмещении приемного модуля заряжаемого аппарата с определенным участком зарядной поверхности.
Устройства и инфраструктура
Первые серийные устройства, оснащенные встроенными модулями для подключения к беспроводным зарядным планшетам стандарта Qi, были выпущены в конце 2010 года. Далее процесс пошел по нарастающей: в 2011-м в линейках компании HTC, LG, Motorola, Samsung, Fujitsu, NEC и Sharp появились мобильные телефоны и смартфоны, оснащенные встроенными модулями для беспроводного подключения к зарядным устройствам стандарта Qi. К концу минувшего года таких моделей насчитывалось уже более трех десятков. Из наиболее свежих новинок можно упомянуть аппараты Google Nexus 4, Nokia Lumia 920 и HTC Windows Phone 8X.
Смартфон Nokia Lumia 920 с фирменным
беспроводным зарядным устройством
Растущий интерес к беспроводным зарядным устройствам был отражен в экспозиции крупнейших выставок минувшего года. Например, на стендах январской CES 2012 было представлено в общей сложности более 70 серийных продуктов и прототипов с поддержкой технологии беспроводной зарядки Qi.
Чтобы ускорить процесс внедрения новой технологии, производители аксессуаров начали выпуск адаптеров, позволяющих реализовать функцию беспроводной зарядки в уже эксплуатируемых устройствах. Наиболее простым и удобным вариантом модернизации является замена штатной крышки батарейного отсека на аналог, оснащенный встроенным модулем для подключения к беспроводному зарядному устройству. Другой вариант — защитные чехлы и съемные накладки на корпус со встроенным модулем беспроводной зарядки. Решение менее изящное, поскольку в этом случае необходимо подсоединять провод от беспроводного зарядного модуля к USB-порту или докразъему мобильного устройства.
Сменная задняя панель смартфона, оборудованная
встроенным модулем беспроводной подзарядки
Очевидно, что продвижение устройств с функцией беспроводной подзарядки невозможно без создания разветвленной инфраструктуры, позволяющей пополнять запас электроэнергии не только дома и в офисе, но также в общественных местах и в пути.
Для эксплуатации в стационарных условиях производители предлагают две разновидности беспроводных зарядных устройств. В одну из них входят зарядные коврики, планшеты и т.п. Другая разновидность — беспроводные зарядные модули, встраиваемые в бытовые электронные устройства и мебель. В качестве примеров можно привести будильники и музыкальные центры со встроенной зарядной поверхностью. Удобным вариантом для дома и офиса являются беспроводные зарядные планшеты, встроенные в мебель, например в столешницу или полку. В этом случае достаточно положить смартфон или другое мобильное устройство на определенную область стола — и оно автоматически начнет заряжаться.
Задник для портативной игровой консоли Nintendo 3DS,
обеспечивающий возможность беспроводной подзарядки
Перспективным направлением является установка зарядных поверхностей в автомобилях. Для разработки и внедрения таких решений в рамках консорциума WPC была создана специальная рабочая группа под названием Automotive Application Group (AAG).
В наступившем году беспроводные зарядные устройства, сертифицированные на совместимость со стандартом Qi, появятся в серийно выпускаемых дорожных автомобилях компаний Chrysler, General Motors и Toyota.
Погодная станция Oregon Scientific QW201
со встроенной зарядной поверхностью
Автомобиль Toyota Avalon Limited 2013-го модельного года можно будет оснастить модулем беспроводной зарядки портативных электронных устройств — правда для этого потребуется установить пакет опций Technology Package. Поверхность для размещения заряжаемых устройств расположена внутри небольшой полочки, выдвигающейся из центральной консоли автомобиля.
Верхняя панель портативной акустической системы JBL
представляет собой зарядную поверхность
Важным фактором, который будет способствовать популяризации новой технологии, является развитие инфраструктуры беспроводных зарядных устройств в общественных местах — кафе, гостиницах, аэропортах и т.д. Этот процесс уже набирает обороты в ряде азиатских стран — в частности в Японии и Южной Корее. Так, в Стране восходящего солнца к началу IV квартала минувшего года насчитывалось в общей сложности более 500 публичных мест, оборудованных беспроводными зарядными поверхностями. По словам вице-президента крупнейшего японского оператора связи NTT Docomo Хироюки Ёшида (Hiroyuki Yoshida), уже к концу марта планируется увеличить их количество до 10 тыс.
Выдвижная полочка с зарядной поверхностью
в интерьере автомобиля Toyota Avalon Limited
Высокие темпы развития инфраструктуры беспроводных зарядных устройств в Японии обусловлены большим количеством пользователей, имеющих в своем распоряжении мобильные устройства с соответствующей функцией. Например, NTT Docomo реализовал уже более 1,8 млн мобильных телефонов с поддержкой беспроводной зарядки стандарта Qi. В свою очередь, компания LG сообщила, что в Южной Корее продано более 500 тыс. смартфонов Optimus LTE2, оснащенных встроенным модулем беспроводной зарядки стандарта Qi.
Перспективы
Сейчас уже очевидно, что внедрение систем беспроводной зарядки позволит сделать использование мобильных устройств с высоким энергопотреблением и небольшим запасом автономной работы гораздо более удобным и комфортным. Как констатировал журналист одного из американских изданий, получивший возможность опробовать смартфон со встроенным модулем беспроводной подзарядки, «я не считаю эту функцию обязательной, однако, оценив ее преимущества на собственном опыте, уже не хочу отказываться от нее».
Весьма интересным представляется внедрение беспроводных зарядных устройств в беспроводной периферии. Например, достаточно оставить беспроводную мышь или игровой манипулятор на ночь на определенном участке стола, чтобы не гадать о том, хватит ли его заряда на следующий день.
Наиболее важные проблемы, над решением которых сейчас ломают голову разработчики беспроводных зарядных систем, — это способы увеличения радиуса действия и передаваемой мощности. Последний фактор является весьма критичным для дальнейшего расширения сферы применения систем беспроводной зарядки, в частности для проникновения их в весьма привлекательный сегмент портативных ПК.
Одним из возможных вариантов увеличения радиуса действия беспроводной зарядной поверхности без снижения ее эффективности является переход к использованию технологии магнитного резонанса. В апреле минувшего года на официальном вебсайте WPC была опубликована информация о том, что внедрение такого решения позволит увеличить максимально допустимое расстояние между зарядной поверхностью и приемным модулем мобильного устройства до 40 мм.
На протяжении уже нескольких лет в компании Intel идут работы по созданию беспроводной системы передачи электроэнергии с увеличенным радиусом действия, которая порадовала бы питание портативным ПК. По предварительным данным, она позволит обеспечить питание нагрузки, потребляющей мощность в несколько десятков ватт, и устойчивую работу на расстоянии до трех футов (примерно 90 см). Работающий прототип такой системы был продемонстрирован на осеннем форуме IDF 2008, однако информации о возможных сроках появления серийных устройств до сих пор нет.
Грандиозные проекты имеются и у компании TI, которая в настоящее время уже выпускает готовые решения для интеграции в серийно выпускаемых устройствах. В среднесрочной перспективе (от 5 до 10 лет) планируется создать пригодные для коммерческого использования системы беспроводной передачи электроэнергии, позволяющие питать бытовые электронные устройства (телевизоры, акустические системы и т.д.) и даже осуществлять бесконтактную подзарядку электромобилей.
В 1820 году Андре-Мари Ампер доказал André Marie Ampère , что электрический ток создаёт магнитное поле, а в 1831-м Майкл Фарадей открыл Faraday discovers electromagnetic induction, August 29, 1831 закон индукции, который стал основой работы современных беспроводных зарядок.
В 1888 году Генрих Герц подтвердил Heinrich Hertz Produces And Detects Radio Waves In 1888 существование электромагнитного поля. Его исследования помогли Николе Тесле впервые передать энергию на расстояние. Это случилось World’s Columbian Exposition in Chicago 1893 в 1893 году на всемирной выставке в Чикаго.
До конца XX века с передачей энергии на расстояние разными способами экспериментировали многие учёные. Исследования продолжаются до сих пор.
Массовый интерес к беспроводной зарядке зародился только после бума мобильных устройств уже в XXI веке.
Сегодня этим вопросом занимаются организации Wireless Power Consortium и AirFuel Alliance.
Какие есть стандарты беспроводной зарядки
Чтобы зарядить смартфон без проводов, используется пара катушек: одна в зарядной станции, которая подключена к питанию, другая в устройстве.
Когда на первой катушке появляется ток, вокруг неё образуется магнитное поле, которое передаёт его на вторую.
Магнитное поле появляется из-за использования переменного тока высокой частоты. Он преобразовывается в постоянный, когда передаётся на устройство.
В зависимости от частоты тока в работу включаются магнитная индукция или магнитный резонанс.
Магнитно-индукционные станции
Они передают энергию на расстояние около 10 мм и используют для этого частоту переменного тока 100–357 кГц. Чтобы зарядить смартфон с помощью такой станции, он должен поддерживать конкретный диапазон её частот.
Магнитное поле не проходит через металл, поэтому беспроводная зарядка возможна только на смартфонах, задняя панель которых сделана из стекла или пластика. При этом даже толстый защитный чехол может помешать процессу зарядки.
По принципу магнитной индукции работают беспроводные зарядки Qi и PMA.
Разработкой стандарта Qi с 2008 года занимается организация Wireless Power Consortium (WPC), в которую входят производители зарядок из Америки, Европы и Азии. Его спецификации находятся в общем доступе Qi wireless power specification .
Этот стандарт беспроводной зарядки используют в iPhone 8 и более новых смартфонах Apple, а также во всех устройствах Samsung линейки Galaxy S последних пяти лет.
С ним также работают компании Xiaomi, Huawei, LG, Sony, Asus, Motorola, Nokia, HTC.
Разработкой стандарта PMA с 2012 года по 2015-й занималась организация Power Matters Alliance (PMA).
Он в большей мере распространён в США. Там его продвигали AT&T removed Qi wireless charging in the Lumia 1520 to make room for PMA сотовый оператор AT&T и сеть кофеен Starbucks.
Сегодня Power Matters Alliance в составе AirFuel Alliance занимается развитием альтернативного типа беспроводной зарядки AirFuel. Но вместе с Qi этот стандарт до сих пор поддерживают смартфоны Samsung, включая последние флагманы Galaxy S10, S10+ и S10e.
Магнитно-резонансные станции
В отличие от станций, работающих на магнитной индукции, в них применяется увеличенная вплоть до 6,78 МГц частота тока. Это позволяет расширить радиус зарядки до 40–50 мм.
В таких беспроводных зарядках также используется набор из двух катушек. Но они могут не находиться друг напротив друга, поэтому зарядные устройства необязательно должны быть выполнены в виде подставок или ковриков.
По принципу магнитного резонанса работают беспроводные зарядки стандартов Rezence и AirFuel.
Rezence
Разработкой Rezence с 2012 года по 2015-й занималась организация Alliance for Wireless Power (A4WP).
За счёт увеличения расстояния зарядки стандарт позиционировали как более удобную альтернативу Qi и PMA. Сейчас A4WP входит в состав AirFuel Alliance и работает над стандартом AirFuel.
Rezence продвигали производители комплектующих Broadcom, Gill Electronics, Integrated Device Technology (IDT), Intel, Qualcomm, Samsung Electronics, Samsung Electro-Mechanics, а также WiTricity.
AirFuel
Этот тип беспроводной зарядки ещё не вышел в массовое производство. Потенциал его распространения пока неясен, но компания Huawei планирует Huawei puts on a resonant wireless charging AirFuel комплектовать им все свои смартфоны.
Разработкой стандарта AirFuel, который станет продолжением Rezence, с 2015 года занимается организация AirFuel Alliance.
В теории AirFuel можно спрятать даже под стол или другую поверхность. Через неё станции смогут одновременно работать с несколькими устройствами: смартфонами, наушниками, ноутбуками.
Что нужно знать о мощности беспроводных зарядок
Беспроводные зарядки отличаются по входной и выходной мощности: обычно она варьируется от 5 до 20 Вт.
Её уровень указывают на корпусе устройства, на коробке, на официальном сайте производителя. Его также можно узнать из обзоров.
Некоторые компании вместо мощности в ваттах указывают напряжение в вольтах и силу тока в амперах. По их значениям также можно узнать, насколько быстро можно зарядить устройство.
Мощность зарядки в ваттах = напряжение в вольтах × силу тока в амперах.
Беспроводные зарядки могут поставляться без блока питания. Их входную мощность нужно знать, чтобы определить, какой подойдёт для их полноценной работы. Мощность стандартного блока питания iPhone — 5 Вт, iPad — 12 Вт, Galaxy S10 — 25 Вт.
Если входной мощности достаточно, устройство должно выдавать максимальную выходную. Зарядка ZMI WTX10 Wireless Charger выдаёт 18 Вт, двойной док Samsung EP-P5200 — 10 Вт, рекомендованная Belkin Boost Up Special Edition Apple зарядка Belkin Boost Up Special Edition — 7,5 Вт.
При этом нужно понимать, с какой мощностью беспроводной зарядки работает ваш смартфон. iPhone 8, 8 Plus и X на iOS 12 поддерживают 7,5 Вт, iPhone XS, XR и XS Max, Galaxy S10 — 10 Вт.
Чтобы определить примерную скорость зарядки в часах от 0 до 100%, ещё нужно знать ёмкость аккумулятора смартфона в ватт-часах и учитывать коэффициент полезного действия (КПД) беспроводной зарядки — обычно 75–90%.
Скорость зарядки в часах = ёмкость аккумулятора в ватт-часах / выходную мощность зарядки (или смартфона, если она меньше) в ваттах / КПД в % × 100%.
Чтобы зарядить аккумулятор iPhone XS Max на 12,08 Вт∙ч с помощью ZMI WTX10 Wireless Charger, уйдёт не меньше 1⅓–1⅔ часа. При этом к сети её можно подключить стандартным блоком питания.
Что нужно знать, используя беспроводную зарядку
Как установить смартфон на зарядную станцию
Положите смартфон в центр беспроводной зарядки или на место, предусмотренное производителем.
Убедитесь, что зарядка началась. Если этого не случилось, ваш смартфон не поддерживает такой способ передачи энергии или вы используете слишком толстый чехол.
Как избежать перегрева во время беспроводной зарядки
Во время беспроводной зарядки смартфон нагревается больше обычного. Чтобы избежать перегрева, он может временно отключить передачу энергии, когда заряд аккумулятора достигнет 80%.
Не используйте громоздкие чехлы, которые мешают естественному теплообмену. И не кладите на устройство, которое заряжается, посторонние предметы. Опасно накрывать его тканью, которая ограничит циркуляцию воздуха.
Как долго смартфон может находиться на беспроводной зарядке
Смартфон может находиться на беспроводной зарядке всю ночь напролёт. Когда заряд его аккумулятора достигнет 100%, передача энергии прекратится.
Главное, используйте качественные зарядку, кабель и блок питания, чтобы избежать короткого замыкания.
Стоит ли покупать беспроводную зарядку сегодня
Беспроводная зарядка станет хорошим подарком для коллеги или делового партнёра, она займёт достойное место на рабочем столе дома или в офисе.
Но до покупки беспроводной зарядки нужно обязательно взвесить её преимущества и недостатки.
Преимущества
- Можно просто положить смартфон на зарядное устройство, и он тут же начнёт восполнять энергию.
- Не нужно искать кабель с подходящим коннектором (Lightning, microUSB, USB-C).
- Уменьшается износ кабелей питания, портов и коннекторов.
Недостатки
- Беспроводная зарядка работает медленнее проводной из-за меньшего КПД.
- Зарядная станция редко идёт в комплекте, обычно её приходится докупать отдельно.
- Нельзя полноценно использовать смартфон во время зарядки.
- Если случайно сместить смартфон, лежащий на станции, зарядка может прекратиться.
- Толстые защитные чехлы и чехлы с металлическими частями могут мешать работе беспроводной зарядки.
- Беспроводную зарядку не всегда удобно брать с собой.
У беспроводной зарядки сегодня больше минусов, чем плюсов. Пока она находится на начальном этапе развития, поэтому нужно чётко понимать, где и когда её уместно использовать.
Беспроводное зарядное устройство удобно на рабочем столе. Можно поставить его на прикроватную тумбу и класть на него смартфон перед сном. Но совсем неудобно брать такую зарядку в путешествие и использовать на ходу.
С развитием стандартов Qi и AirFuel беспроводные зарядки будут использоваться повсеместно. Но для этого производителям предстоит расширить радиус действия, увеличить скорость зарядки и разобраться с остальными недостатками.
Сегодня рядовой смартфон щеголяет фантастическими возможностями. Расстраивает лишь одно — аккумулятор, которого едва хватает на день активной работы! В этом посте мы расскажем о том, как и почему эволюционировали источники питания в мобильных телефонах и что представляют собой технологии быстрой зарядки аккумуляторов. А заодно развеем несколько застарелых мифах о «правильном» обращении с батареями.
Привет, Хабр! Мы Anker, и это наш первый, но далеко не последний пост в хабраблоге. Если кто-то ещё не знает, Anker — крупнейший в мире производитель зарядных устройств для мобильной техники для продажи в ритейле, основанный бывшим инженером Google Стивеном Янгом. Однако одними зарядками наше портфолио не ограничивается. Под маркой Anker выпускаются разнообразные USB-кабели и пауэрбанки, наушники и портативные колонки, USB-хабы, док-станции и даже роботы-пылесосы! Причем всё это наши собственные разработки. Мы не занимаемся перемаркировкой чужих продуктов. В штате Anker состоят сотни инженеров, занятых реальными исследованиями, разработкой и испытаниями новых продуктов.
В этом блоге мы будем рассказывать о технологиях через призму нашей специализации, поделимся знаниями и инсайдами от международной команды Anker. Гарантируем, что никакой навязчивой рекламы и маркетинговых заявлений вы здесь не встретите. А прямо сейчас мы совершим маленький экскурс в историю зарядки мобильных телефонов (наша любимая тема). Как заряжались первые мобильники, как работают технологии быстрой зарядки и почему мифы об аккумуляторах давно пора забыть — рассказываем здесь и сейчас.
История батарей для телефонов начинается в далеких 1940-х годах, когда в автомобилях полиции города Сент-Луис, шт. Миссури, появились радиотелефоны. Они питались от автомобильного аккумулятора, одного полного заряда которого хватало примерно на шесть коротких звонков. Заряжался автомобильный аккумулятор от включенного мотора автомобиля. Несколько десятилетий мобильные телефоны оставались дорогим аксессуаром премиальных автомобилей бизнес-класса — электроника той эпохи была настолько требовательна к силе тока, что ни один из компактных аккумуляторов не мог её запитать.
Первый автомобильный радиотелефон 1946 года выпуска. С одной стороны, прогрессивные беспроводные технологии. С другой, дисковой набор номера. Источник: Daderot / Wikipedia
Так продолжалось до 1973 года, когда появился первый по-настоящему портативный сотовый телефон Motorola, получивший впоследствии имя DynaTAC 8000X (вышел в продажу только в 1983 году). Телефон довольствовался никель-кадмиевым аккумулятором из шести ячеек общей ёмкостью 500 мА·ч. Одного заряда хватало на 30-40 минут разговора (в зависимости от силы сигнала с базовой станции).
Зарядное устройство для DynaTAC 8000X имело функцию капельной подзарядки — это питание уже заряженной батареи низкими токами для компенсации её саморазряда, чем очень грешат никель-кадмиевые батареи. На восстановление заряда телефона с нуля требовалось 10 часов. Для самых торопливых бизнесменов Motorola предлагала особую быструю зарядку — док-станцию массой 2 кг, которая могла зарядить аккумулятор DynaTAC 8000X всего за час! При этом телефон почти не нагревался, а батарея не деградировала. Фактически быстрая зарядка телефонов появилась не «вчера», а 37 лет назад.
Первый портативный телефон Motorola DynaTAC 8000X и опциональная 2-килограммовая быстрая зарядка для него. Источник: Redrum0486 / Wikipedia, Redfield-1982 / DeviantArt
Пока в первой половине 1990-х мобильники осваивали новые компактные никель-металлогидридные батареи, на рынке аккумуляторов незаметно произошла настоящая революция: в 1991 году Sony выпустила первую литий-ионную батарею, шедшую в комплекте с пленочной видеокамерой CCD-TR1. Литий-ионные аккумуляторы превосходили предшественников по сроку жизни и энергетической плотности. Помимо этого, в них отсутствовал «эффект памяти», что наконец дало покупателям портативной электроники возможность по-новому заряжать свою технику — не дожидаясь полной разрядки батареи и не заряжая её до конца.
С приходом литий-ионных аккумуляторов время работы телефонов в режиме ожидания возросло до дней и даже недель против одного-двух дней ранее. Эпоха «прожорливых» карманных персональных компьютеров (КПК) и тем более смартфонов ещё не пришла, поэтому подзарядка телефона раз в неделю была обычным делом — необходимости в «быстрой» зарядке просто не было. Но прогресс не стоял на месте, и в конце 1990-х годов в продажу поступили литий-полимерные аккумуляторы. Первым телефоном с литий-полимерной батареей стал легендарный Ericsson T28 1999 года выпуска.
Ericsson T28 впечатлял своей «худобой» — всего 15,2 мм в толщину, что по тем временам было очень мало. Благодарить за это стоило новый литий-полимерный аккумулятор. Источник: Holger.Ellgaard / Wikipedia
Это был не новый тип батарей, а лишь небольшой апгрейд литий-ионных ячеек: жидкий электролит в них заменили на твёрдый или гелеобразный, что увеличило энергетическую плотность. Но повышенная энергоплотность дала возможность делать более тонкие аккумуляторы с прежней ёмкостью. Или более ёмкие в прежних размерах. Ёмкость батарей заметно увеличилась, а вот скорость их зарядки не изменилась. В комплекте со смартфонами чаще всего шли максимально дешёвые ЗУ с выходной мощностью около 5 Вт, которым требовалось до трёх часов на восполнение заряда ёмкого аккумулятора. Даже если пользователи покупали адаптеры с мощностью 10 Вт, контроллер питания смартфонов не всегда соглашался подавать на батарею такую мощность, оставаясь верным безопасному профилю 5 В / 1 А. Необходимость заряжать смартфон в течение мучительно долгих нескольких часов заставила шестерёнки прогресса шевелиться — в начале 2010-х годов производители мобильных устройств активно искали способы быстрой подзарядки аккумуляторов. И таки нашли.
В конце ХХ века на зарядку телефона в среднем уходило полтора-два часа, но мобильные телефоны работали на одном заряде по несколько дней. Смартфон с огромной для начала 2010-х годов ёмкостью батареи 2000 мА·ч мог быть посажен «в ноль» меньше чем за день — спасибо требовательным играм, потоковому видео и быстрому мобильному интернету.
Так называемая «медленная» зарядка через USB по стандарту USB Battery Charging допускает повышение силы тока зарядного устройства до 2 А при напряжении 5 В, но даже два часа на подзарядку большого смартфона — это слишком долго.
Пожалуй, самый знаменитый блок питания для смартфонов — 5-ваттный зарядник из комплекта iPhone. Из-за малой мощности и проистекающей из этого бесполезности ЗУ со временем перешло в разряд «электронного мусора». В итоге Apple убрала его из комплекта iPhone и Apple Watch. Источник: Apple
В 2012 году был принят стандарт USB Power Delivery, который регламентировал передачу через интерфейс USB напряжения до 20 В и токов до 5 А. Правда, для высоких мощностей требуются высококачественные сертифицированные кабели. На основе спецификаций Power Delivery производители чипов принялись разрабатывать собственные решения для быстрой зарядки смартфонов. Раньше всех это удалось сделать телекоммуникационному гиганту Qualcomm, чей протокол Quick Charge 2.0 стал усовершенствованной версией Power Delivery — в отличие от родительского стандарта, Quick Charge 2.0 работал с любыми кабелями и разъемами Micro-USB 2.0.
Принцип работы Quick Charge 2.0 заключался в поэтапной подаче на аккумулятор повышенного вплоть до 12 В напряжения при постоянном токе до тех пор, пока не зарядится примерно половина батареи. После этого напряжение спадает и скорость зарядки уменьшается, что снижает перегрев смартфона и аккумулятора вместе с ним.
Сейчас актуальна уже пятая версия Quick Charge: Qualcomm обещает зарядить смартфон до 50% за 5 минут и до 100% за 15 минут. Всё потому, что Quick Charge 5.0 предусматривает передачу мощности на смартфон вплоть до 100 Вт. Причём без перегрева аккумулятора — смартфон будет разогреваться не выше чем до 40 °C.
Qualcomm Quick Charge — закрытый лицензируемый стандарт. Он поддерживается только системами-на-чипе Qualcomm Snapdragon, на которых, впрочем, построено порядка 40% современных Android-смартфонов. Также Quick Charge должен поддерживаться зарядным устройством. Добавление Quick Charge в блок питания сказывается на его цене совсем незначительно. Блоки питания с этой технологией обязательно помечаются логотипом с молнией, а сам зарядный порт выделяется цветом.
В Anker PowerPort Speed 5 два разъёма поддерживают Qualcomm Quick Charge — они выделены синим цветом и сопровождаются логотипом технологии (на другом боку ЗУ). Источник: Anker
На основе Quick Charge другими компаниями были разработаны как бы собственные, но полностью совместимые технологии быстрой зарядки: Motorola TurboPower, Xiaomi Mi Fast Charging, Samsung Adaptive Fast Charging, Asus BoostMaster и Vivo Dual-Engine Fast Charging. По сути, они ничем не отличаются от Quick Charge кроме имён, и потому прекрасно работают в паре с блоками питания с поддержкой Quick Charge.
В противовес зарядке повышенным напряжением право на жизнь заслужил и другой подход — зарядка аккумуляторов повышенными токами при обычном напряжении в 5 В. По этому пути, например, пошла китайская BBK Electronics, которой принадлежит бренд OPPO. Технология VOOC (Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging) подаёт на смартфон стандартное для USB напряжение 5 В, но с током не менее 4,0 А. Третья версия VOOC принесла поддержку токов до 5,0 А, а четвёртая версия — до 6,0 А. VOOC под другими именами пришла в смартфоны других брендов BBK Electronics: OnePlus Dash Charge, Vivo Super FlashCharge и Realme Dart Charge.
Маленькие зарядные устройства на 5 Вт из комплекта iPhone за ненадобностью часто даже не вынимают из коробки. Anker PowerPort III Nano при схожих размерах заряжает iPhone с максимальной для него мощностью 18 Вт. Источник: Anker
VOOC и её аналоги работают в паре со специальными аккумуляторами, поделенными на секторы. Батарея с поддержкой этой технологии несёт восемь контактных площадок, через которые параллельно ведётся зарядка нескольких секторов одной батареи.
Так как напряжение заряда через VOOC стандартное, телефону нет нужды снижать его для подачи на аккумулятор, а значит контроллер не будет заниматься понижением, выделяя вредное для батареи тепло. То есть с точки зрения здоровья аккумулятора VOOC более безопасна, чем Quick Charge. Ещё одним преимуществом оказалось то, что при использовании смартфона во время зарядки по VOOC он не перегревается. А вот аппараты с Quick Charge до версии 5.0 лучше не использовать во время подзарядки, иначе смартфоны начинают греться и контроллер питания в целях безопасности снижает напряжение и замедляет зарядку.
VOOC выглядел слишком хорошо до тех пор, пока пользователь не узнавал, что для работы технологии необходим специальный кабель с более толстыми жилами для передачи высоких токов и дополнительным сигнальным контактом на коннекторе.
Для работы технологии быстрой зарядки OPPO VOOC и её аналогов необходим вот такой нестандартный кабель. Кабели со штекером USB-C вместо Micro-USB 2.0 тоже несут дополнительный пин. Источник: AliExpress
Как вы понимаете, комплектные зарядные устройства к смартфонам всегда поддерживают одну технологию быстрой зарядки (ну, и её «копии»). Если вы являетесь счастливым обладателем гаджетов от разных компаний, например, Apple iPad Pro с Power Delivery, Samsung GALAXY S9 с Adaptive Fast Charging, то зарядка от одного гаджета будет заряжать другой гаджет в медленном режиме.
Для «зоопарка» устройств от разных брендов полезно купить один универсальный адаптер с несколькими выходами для одновременной зарядки всех гаджетов — такой, чтобы зарядное устройство понимало, с каким стандартом быстрой зарядки работает подключенный гаджет, и начинало зарядку согласно этому стандарту.
А вот вам памятка. В этой таблице собраны спецификации самых популярных технологий быстрой зарядки смартфонов в сравнении со всеми версиями USB. Источник: Anker
Во всех зарядках Anker за это отвечает технология Anker PowerIQ. Например, Anker PowerPort Atom III имеет выходы USB-C и USB-A, каждый из которых отмечен значком PowerIQ 3.0 и PowerIQ 2.0 соответственно. К этим выходам можно подключать смартфоны, планшеты и даже ноутбуки с поддержкой USB Power Delivery, Qualcomm Quick Charge и их аналогами — во всех случаях адаптер выберет максимально допустимый режим питания, будь то 5 В / 2,4 А, 9 В / 2 А или даже 12 В / 1,5 А.
Незаменимым помощником в таком случае может стать Anker Powerport III Nano 20W. Это самое тонкое и лёгкое зарядное устройство в линейке Anker. Новинка подойдёт практически к любому устройству Apple и Android и избавит от необходимости иметь персональное ЗУ для каждого гаджета. Оно оснащено одним единственным портом USB-C, способным выдавать до 20 Вт энергии с использованием стандарта Power Delivery. Инженеры Anker Innovations уместили 20Вт в адаптер размером 2,74 х 3,00 см, что сопоставимо с размером 5 рублевой монеты.
В каждом зарядном устройстве Anker с технологией PowerIQ есть чип, который связывается с подключенным гаджетом и выбирает наиболее эффективный для него протокол питания. Например, PowerIQ 3.0 работает с Power Delivery, Quick Charge и Apple Fast Charging. При подключении смартфона чип PowerIQ отправляет команды, которыми предлагает смартфону по очереди поддерживаемые протоколы питания. Если смартфон отвечаёт, что может работать с Power Delivery или Quick Charge, зарядное устройство Anker передаёт данные о поддерживаемом выходном напряжении и токе. Смартфон выберет из предложенных оптимальный для себя режим питания и отправит команду об этом в зарядное устройство. После этого ЗУ Anker будет регулировать напряжение в соответствии с выбранным профилем, а смартфон — потреблять ток в соответствии с протоколом.
Anker PowerPort Atom III может зарядить хоть смартфон, хоть ноутбук, причём с максимально возможной для них скоростью. На выход USB-C подаётся 45 Вт, а на USB-A 15 Вт, причём одновременно. Источник: Anker
Пользователи смартфонов до сих пор спорят в интернете о вреде быстрой зарядки для аккумуляторов. Одни упирают на то, что любое отклонение от годами проверенного сочетания 5 В / 2 А (10 Вт) вредит батарее, другие приводят результаты исследований, доказывающих, что подача на телефон мощности даже в 30 Вт если и влияет на здоровье аккумулятора, то крайне незначительно. Этот и ещё несколько мифов о зарядке аккумуляторов мы сейчас безжалостно разгромим.
Конечно, высокие токи заряда и разряда не идут батареям на пользу. Но стоит ли опасаться заряжать гаджет таким образом или негативный эффект от этого если и проявится, то ближе к концу жизни самого смартфона? Ежедневная зарядка в самом щадящем режиме (5 В / 1 А) уменьшит ёмкость литий-полимерной батареи примерно на 10-15% за 400 циклов, что соответствует одному-полутора годам использования устройства. По достижению 500 циклов батарею телефона рекомендуется менять, так как по мере старения ёмкость элемента питания падает не линейно, а по экспоненте.
Влияние быстрой зарядки на износ аккумулятора было проверено специалистами SLAC National Accelerator Laboratory (лаборатория при Стэнфордском университете) еще в 2014 году. Результаты исследования показали, что состояние анода и катода не меняется в зависимости от скорости зарядки аккумулятора. В 2020 году сотрудники сайта DDay.it устроили стресс-тест для смартфона OPPO Find X2 Pro с технологией VOOC. В течение полутора месяцев телефон заряжали адаптером мощностью 65 Вт, за время испытания аккумулятор пережил 248 циклов. Для быстрой разрядки в телефоне создавали искусственную предельную нагрузку, от которой устройство нагревалось до вредных 44 °C. В конце эксперимента батарея потеряла порядка 15% ёмкости, хотя изначально предполагалось, что деградация составит до 35%. Если бы не высокие нагрузки и опасная для аккумулятора температура, падение ёмкости было бы ещё меньше.
Удивительно, что даже в 2020 году среди неопытных пользователей смартфонов гуляют застарелые мифы о «правильной» зарядке. Например, некоторые до сих пор после покупки телефона проводят «раскачку» батареи, несколько раз заряжая устройство до конца и разряжая его до нуля, как это рекомендовалось в начале 1990-х для никель-металлогидридных ячеек. Это якобы помогает задействовать всю ёмкость нового аккумулятора, и если этого не сделать, то смартфон, мол, будет разряжаться раньше, чем должен. Кто-то также называет этот процесс «калибровкой контроллера питания».
На самом деле литий-ионным батареям не нужна никакая «тренировка» перед началом использования устройства, несколько циклов полной зарядки и разрядки вообще никак не повлияют на ёмкость батареи и ни на минуту не увеличат возможное время автономной работы. Контроллер прекрасно знает, с какой ёмкостью ему предстоит работать, да к тому же иногда сам, без участия пользователя, проводит калибровку по мере деградации батареи.
Вырезка из инструкции к Motorola StarTAC. В ней ясно прописано, что никель-металлогидридную батарею перед началом использования надо «раскачать». Телефон также комплектовался литий-ионными батареями, но об их «раскачке» в инструкции ни слова
Легенда о важности «раскачки» аккумуляторов до сих пор питает миф об эффекте памяти. Сам по себе эффект памяти, когда ёмкость элемента теряется из-за частых подзарядок не до конца разряженной батареи, действительно существует. Вот только и ранние литий-ионные, и современные литий-полимерные элементы питания этим эффектом практически не обладают (его проявление ничтожно мало). Эффекту памяти подвержены устаревшие никель-кадмиевые и в меньшей степени никель-металлогидридные аккумуляторы, которые не используются в гаджетах с конца 1990-х годов.
Эффект памяти проявляется из-за укрупнения кристаллов рабочего вещества никель-кадмиевого аккумулятора. Чем крупнее кристаллы, тем меньше общая площадь поверхности. Чем меньше площадь, тем меньше ёмкость батареи. В литий-ионных аккумуляторах укрупнения кристаллов не происходит. На схематичном изображении показаны слева здоровый электрод, а справа электрод с выросшими кристаллами. Источник: Anker
Третий миф гласит, что смартфоны нельзя оставлять подключенными к зарядному устройству надолго, например, на ночь — будто бы батарея перезаряжается сверх меры, отчего теряет ёмкость и даже может загореться. В принципе, в начале 1990-х такое мнение ещё имело право на жизнь, но сейчас, в эпоху литий-ионных батарей с контроллерами нет вообще никакой разницы, как долго вы держите смартфон подключенным к розетке. Затем и придуман контроллер питания, чтобы не допускать перезаряда. Когда аккумулятор заряжен, контроллер видит это и переходит в режим сбережения заряда, снижая потребляемый ток до околонулевых значений.
Ёмкость аккумуляторов мобильных телефонов за четверть века выросла в прямом смысле на порядок, как выросли и «аппетиты» гаджетов. Прогресс в области элементов питания движется не так быстро, как в области графических процессоров или памяти, однако нынешние литий-полимерные аккумуляторы — это настоящее чудо, требующее лишь качественного питания.
Чтобы раскрыть потенциал батареи полностью, наслаждаться безопасной и быстрой зарядкой, следует подобрать хорошее зарядное устройство — комплектные адаптеры смартфонов из экономии чаще всего отвечают только минимальным требованиям для зарядки. Вдвойне разумно завести дома многопортовый универсальный зарядный блок, работающий с несколькими протоколами быстрой зарядки и имеющий выходы USB-A и USB-C для самой современной и устаревающей техники.
Данный принцип в свое время использовал ученый Никола Тесла. Беспроводной способ зарядки использовали разработчики беспроводных зубных щеток, эпиляторов, бритв и других устройств. Но этот метод дает небольшую мощность, он не способен обеспечить быструю передачу энергопотока. Он оправдал свою эффективность в отношении небольших приборов, которые используются лишь по нескольку минут в день. Индуктивный способ зарядки доказал свою эффективность и безопасность. Специальные аппаратные приспособления, которые встраивают в телефон, обеспечивает подзарядку устройства энергией.
История разработки
Беспроводной способ передачи электричества предполагает подачу энергии по электрической цепи без участия токопроводящего элемента. До 2011 года были закреплены первые успешные результаты, при использовании которых был создана первая беспроводная зарядка. В ходе эксперимента ученым удалось осуществить передачу десятков киловатт энергии на микроволновом уровне на дистанцию до одного километра. Показатель КПД составил 40%.
Опыт был проведен в 1975 году в штате Калифорния (Goldstone), второй эксперимент проводился через 22 года на острове Ренюньон (Grand Bassin). Эксперимент был проведен в рамках программы обеспечение населенного пункта без прокладки проводной электросети.
Беспроводная зарядка для телефона и других аналогичных устройств, стала разрабатываться уже после появления и тестирования технологии Qi. Бесконтактное приспособление для зарядки работает в автоматическом режиме. Процесс пополнения энергии начинается сразу поле того, как телефон или планшет попадает на специальную площадку, в диапазоне которой и проходит подача энергии.
Принцип работы
Работают беспроводные зарядки при помощи специальных приспособлений, которые работают от сети. Предусмотрен и другой вариант, когда в конструкции мобильного телефона или другого гаджета, предусмотрен встроенный аккумулятор. Благодаря такой комплектации устройство можно использовать в качестве внешней дополнительной батареи Power bank.
Беспроводное зарядное устройство видео-обзор которого представлен на специализированных ресурсах, адаптировано для смартфонов Nokia и других гаджетов, которые не поддерживают Qi. Оно представляет собой чехол-ресивер с функцией зарядки. Встроенное беспроводное зарядное устройство для телефона в смартфоне Nokia Lumia 920 вывело данный бренд на новый уровень. Производитель Nokia надеется, что инновация позволит привлечь больше клиентов. Менеджеры компании полагают, что часть тех пользователей, что предпочитают сегодня продукцию Apple, перейдут в ряды покупателей Nokia Lumia. Компания Nokia признает фирменный стандарт QI от Консорциума беспроводного питания.
Безопасность данного метода заключается в том, что тут исключен риск замыкания провода при случайном попадании воды.
Что собой представляет беспроводное зарядное устройство для телефона?
По представлению многих пользователей беспроводные зарядные устройства для телефонов это аппараты, что работают по аналогии Wi-Fi. На самом деле беспроводное мобильное зарядное устройство работает по магнитно-индукционному принципу. В конструкции зарядных аппаратов предусмотрена электромагнитная катушка, генерирующая поле. Кода телефон ставится на поверхность этого приспособления, процесс подачи энергии активизируется. Не стоит путать беспроводные зарядные устройства для телефонов с зарядным кабелем для Mac-устройств. В проводах для подзарядки Mac также используют магниты, но передача тока производится по принципу проводимости, а не с помощью силы магнитной индукции.
Скорость заряжания телефонов
Объем заряда батареи смартфона исчисляют в миллиампер-часах. Используя среднюю по мощности зарядку можно определить численность единиц напряжения, силу ампеража, которые поступают с постоянным током. В среднем 1 А номинального тока с напряжением в 5 В напряжения получает батарея от стандартного проволочного устройства. Такого заряда хватает где-то на 3, 5 часа. Беспроводное зарядное устройство для мобильных телефонов поддерживает те же показатели напряжения, но снижает ампераж до 0, 65 А. Из-за этого аккумулятор заряжается дольше, в среднем на 30-40 минут.
Недостатки технологии
Какие недостатки беспроводной зарядки Короткий радиус. Качество зарядки зависит от мощности магнитного поля. Чем сильнее поле, тем мощнее поток энергии. Но для передачи заряда предусмотрен короткий радиус действия.
Скорость и эффективность подачи заряда
Бесконтактный способ не дает той скорости и результативности, что способен обеспечить контактный физический способ подключения. Габариты. Любой зарядный аппарат, пусть и самый маленький, значительно увеличивает объем и вес устройства. Когда размер катушки для планшета или смартфона удастся уменьшить в десятки раз, то проблема исчезнет. Беспроводные зарядные устройства в будущем
Когда разработчикам удастся сократить размер катушки, также повысить эффективность беспроводной зарядки, то это буде значительным прорывом. Первым, претендентом, который способен улучшить эти показатели является Apple. Компания уже запатентовала аппарат, который способен передавать поток энергии на метровую дистанцию. Сотрудники беспроводного Консорциума питания также постоянно совершенствуют свои результаты, стремлясь к лидерству на рынке.
Читайте также: