28.02.2021

Зарядная станция AirPower

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.

Зарядная станция AirPower, пожалуй, была одним из самых ожидаемых продуктов от Apple за последние несколько 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.

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.
Картинки по запросу airpower

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.

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *