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.

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.
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.