2

AirPower глазами физика: выпустить ее было бы очень сложно

Егор


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.
32

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Мы в соцсетях

Комментарии

Антон
+77
Спасибо за статью, было интересно и познавательно
31 марта 2019 в 10:44
#
+237
То есть Эпл отказалась её выпускать, потому что это дорого? Серьёзно?) очевидно же, что технология уже не нова, и на смену ей приходит заряд от вай-фай сети, поэтому Эпл не может допустить выглядеть отстающей компанией со своей аирпауэр.
31 марта 2019 в 10:54
#
Егор Морозов
+1765
Как вы думаете, много людей купило бы ее баксов за, допустим, 500?) Я вот думаю маловато, особенно если учесть, что есть много аналогов эдак раз в 5-7 дешевле.
заряд от вай-фай сети
Что, простите? Вы этими милливаттами айфон неделю заряжать будете.
31 марта 2019 в 10:58
#
+237
Ну да, это же чрезвычайно сложная задача выпустить роутер с технологией электромагнитной передачи энергии, которая была ещё 100 лет назад изобретена. Вообще странно, что до сих пор её ещё не задействовали в смартфонах. Возможно придерживают как козырь, чтобы для начала обычные зарядки продать, а возможно на данную технологию наложен запрет от военных.
1 апреля 2019 в 21:30
#
Егор Морозов
+1765
Да не, легко — такой роутер уже есть и называется он «микроволновка»)). Причем без шуток — самая настоящая беспроводная передача энергии в гигагерцовом диапазоне. Так что тут никаких сговоров производителей и запретов от военных — сделать можно, только вот пользователи будут в прямом смысле слова поджариваться, когда их смартфоны будут заряжаться.
1 апреля 2019 в 23:49
#
Alex Tkachuk
+16
Автор статьи хотел сказать, что а) дороговато, б) шумновато, в) не экономично... А зная apple в ее стремлении к безупречности, это не их вариант. Выпускать новый продукт ради того что бы выпустить, не в традициях купертиновцев. Все правильно — лучше не выпустить ничего, чем потом извиняться на весь мир
2 апреля 2019 в 12:53
#
–277
Выпускать 3 (ТРИ!) поколения клавиатуры подряд с изъяном, который не лечится, и приносить извинения каждый раз — это наверное по-купертиновски?
2 апреля 2019 в 13:33
#
cuantro
+628
Не переживай, это дело времени.
2 апреля 2019 в 14:23
#
+53
Физики, это именно те люди, которые выдумывают и исполняют невозможное (типа коня в вакууме). Думаю выпуск такого девайса-вопрос времени.
31 марта 2019 в 10:55
#
+64
Вот люблю я читать статьи Морозова.
Все чётко, доступно и грамотно описано...
31 марта 2019 в 11:00
#
+101
ну #рень с ним.
31 марта 2019 в 11:11
#
Sergey Arefev
–114
типичный аррле ... скулили громче всех о зарядке , в итоге обделались как обычно ... )) пока эти инвалиды ищут отговорки , сяоми и Huawei скоро уже выпустят свои зарядки ... ))
31 марта 2019 в 11:50
#
+40
Типичный скулящий долбоеб. Конечно китайцы выпустят. С одной-двумя катушками, за три копейки. Как у сотен других производителей. На что-то большее они не способны 🤷🏻‍♂️
31 марта 2019 в 13:38
#
+62
Да уже выпустили, у меня в машине держатель с беспроводной зарядкой с 2 катушками ;-) правда для одного девайса, заявлено 10вт, фактически не замерял, но на SxMAX проценты заряда растут даже когда на нем запущено приложение навигатора.
31 марта 2019 в 13:50
#
+62
Авто зарядка-держатель для телефонов baseus с 2 контурами заявленные 10W на выходе ценник 115 юаней или чуть больше 1000 рублей.
31 марта 2019 в 13:56
#
+62
Уточнение, контур по факту один (на крышке просто очерчено было два места питания, что привело к ошибочному заключению), но контур увеличенный.
31 марта 2019 в 14:01
#
+40
SxMAX тоже какой-то ширпотреб от baseus?
31 марта 2019 в 14:00
#
+225
Даже зубную щетку так можно зарядить.
31 марта 2019 в 11:51
#
Ikarus
+662
Эппл решила упустить парочку законов физики, но не смогла. А почему, спросите вы. А я вам отвечу. Потому, что великий Маг S. Jobs давно усоп. А новый увы не Маг, так, любитель.
31 марта 2019 в 11:52
#
Johnny
+230
Думаю Эппл просто отложила создание девайса, не совсем забросила.

Просто сейчас нет решения различным вопросам, в частности вопроса тепловыделения.

Невыгоден будет такой девайс, стоящий по цене нового айфона.)
31 марта 2019 в 11:53
#
–745
они беспроводную сделают точно
31 марта 2019 в 13:02
#
–745
они же удивляют часто :)
31 марта 2019 в 13:04
#
+857
Никто не повелся и не продал патент... но Китайцы то черт возьми делают и она работает!!!
31 марта 2019 в 13:07
#
+40
Что китайцы делают?
31 марта 2019 в 13:39
#
cuantro
+628
Да ничего аналогичного они не делают, просто очередной ящер решил поумничать, но сам же выставил себя дураком.
31 марта 2019 в 20:18
#
+527
Китайцы ни чего в этой жизни сами не придумали. Все технологии которые они используют тупо сворованы.
31 марта 2019 в 13:55
#
John Doe
+607
Почитайте об истории Китая, чтобы так не позориться.
1 апреля 2019 в 07:56
#
+45
Очевидно одно. В Апле работают маркетологи а не физики ;)
31 марта 2019 в 13:55
#
+4411
Ничего страшного, позже скорее всего выпустят, через год-два. Торопиться некуда, потому что и у беспроводных зарядок есть серьезный минус, смартфон/планшет заряжаются пока лежат, а если в этот момент позвонили? Реально беспроводной она будет, когда гаджеты будут заряжаться как лёжа на ней, так и хотя бы в радиусе 1-2х метров. А пока что в плане удобства провода рулят, и разговариваешь и смартфоном пользуешься и зарядка идёт. На всё надо время, чтобы функционировало как надо, а не как попало, но тут больше всё от цены зависит. Понятно, что за 1000-1500 ни о каком качестве, повышенном функционале и безопасности и речи быть не может. А вот скажем от 5 до 10 или 12 тысяч уже совсем другой разговор, но опять же, не каждый захочет столько отдавать и будет заряжать тем, что идёт в комплекте
31 марта 2019 в 14:16
#
Кевин
+13
Если у тебя есть беспроводные наушники, то не нужно дергать телефон с зарядки
31 марта 2019 в 17:39
#
+4411
Не, из принципа не покупаю беспроводные, не хочу иметь ещё один гаджет, который надо заряжать. Да и качество звука не устраивает совсем, хотя всё это дело вкуса
31 марта 2019 в 18:16
#
+201
Спасибо. Выводы:

Дело было не в слабой зарядке и быстрому износу аккума, что очень хорошо для продаж новых телефонов.
Как я и думал, проблема с "высокими стандартами": потребление-нагрев-безопасность.
Почитайте комменты на Али на беспроводные зарядки. Там много интересного)

Продолжаем пользоваться розеткой, ждем решение проблемы от Илона Маска.
31 марта 2019 в 14:36
#
cuantro
+628
Еще стоит упомянуть, что Apple Watch не заряжаются на стандартных Qi зарядках, для них нужны специальные зарядки с маленькими катушками, что еще больше усложняет процесс создания AirPower.
31 марта 2019 в 15:40
#
+131
Неудачники... больше не имею дел с яблоком
31 марта 2019 в 18:17
#
Cyberika
+365
Если ты это серьезно то все, им конец.
31 марта 2019 в 19:24
#
+328
Вопрос такой — а зачем вообще было ее анонсировать, если не были уверенны в успехе и понимали, что это ,будет очень сложно?.. Не лучше ли было сделать хотя бы более-менее рабочий образец, а уже потом объявлять?...
1 апреля 2019 в 08:24
#
–277
У других же есть точно такие же зарядки.
Вероятно, они не смогли сделать так, чтобы она заряжала только Эпол.
1 апреля 2019 в 10:49
#
Oskarr
+369
Ха, интересно, а заранее просчитать это было не возможно? Или сначала надо было сотрясти воздух, громкими заявлениями, а потом подумать.
1 апреля 2019 в 12:08
#
borilos
–10
4 июля 2020 в 13:26
#