Содержание
Антон Чепур
В последние годы все большее распространение получают беспроводные зарядки, поэтому предлагаю сегодня поговорить о стандартах беспроводной зарядки, принципах их функционирования и перспективах этих устройств.
Любая беспроводная зарядка подразумевает отсутствие не только проводов, но и других коннекторов. Как и любая инновация, беспроводная передача энергии развивается слишком медленно из-за того, что подавляющее большинство людей о ней просто не знают, а IT-гиганты не спешат тратить деньги на внедрение (приходится покупать новые сертифицированные комплектующие, изменять расположение компонентов внутри корпуса, пересматривать производственный процесс) новинки, которая массовому покупателю и не особо-то нужна. Однако медленно, но уверенно беспроводные зарядки приходят в нашу жизнь: взять хотя бы производителей автомобилей и мебели, в последние годы размещающих зарядные площадки даже в не самых дорогих продуктах. А вот в общественных местах количество станций не радует изобилием, особенно на фоне тех оптимистичных прогнозов, которые высказывались на заре становления данной технологии.
Как это работает?
Впервые передачу электроэнергии продемонстрировал в 1893 году гениальный сербский ученый Никола Тесла, опередивший свое время на пару веков. Основой каждой беспроводной зарядки является принцип электромагнитной индукции, который вкратце можно объяснить следующим образом:
Внутри зарядного устройства находится пластина-передатчик, на которую подается электрический ток. При прохождении тока по этой катушке образуются колебания небольшого электромагнитного поля, создающие ток в устройстве с катушкой-получателем.
Qi
Начнем с самого распространенного стандарта, разработанного организацией WPC (Wireless Power Consortium). Qi поддерживают смартфоны Huawei, Samsung, LG, Apple, Sony, Nokia и других производителей. Преимущество этого стандарта заключается как раз в его популярности, если в обозримом будущем и будет какая-то стандартизация беспроводных зарядок, то она будет основываться на Qi. Без недостатков, естественно, тоже не обошлось: это небольшая зона действия (максимум – 40 мм) и далеко не самая высокая скорость передачи.
PMA
Эту технологию можно назвать вторым по распространенности стандартом беспроводной зарядки, хоть и количество совместимых с ним устройств в разы меньше. PMA в основном распространен в Америке, где его активно продвигают крупные компании, в том числе и к мобильной индустрии никак не относящиеся. Главное различие между Qi и PMA заключается в разных частотах – Qi использует 100-205 кГц, а PMA работает на 277-357 кГц.
Rezence
Наименее востребованный стандарт, разработанный командой Alliance for Wireless Power (ныне AirFuel Alliance). Несмотря на малую распространенность, создатели позиционируют Rezence как следующий этап эволюции беспроводных зарядок, поскольку он может отправлять энергию на гораздо большее расстояние, причем мебель, книги, посуда и другие подобные объекты не помешают передаче заряда. Кроме того, Rezence способен заряжать сразу несколько гаджетов с максимальной мощностью до 50 Вт, чего хватит даже для зарядки ноутбука.
В основе технологии лежит эффект магнитного резонанса, что и позволяет достичь столь мощного сигнала и существенно расширить площадь его передачи. Впрочем, несмотря на такие заманчивые показатели, этот стандарт практически никому не известен и нет ни одного коммерческого устройства с его поддержкой, хотя развитием Rezence интересуются такие компании, как HTC, Intel, Qualcomm, LG и другие.
Перспективы
На данный момент у всех продающихся беспроводных зарядок дальность действия не превышает 4-5 см. Но не все так печально, есть и весьма многообещающие разработки, которые должны увеличить радиус передачи энергии до нескольких метров:
Полное название этой технологии звучит как Dipole Coil Resonant System, работает она на расстоянии до 5 метров. В ходе испытаний удалось обеспечить энергией FullHD-телевизор с тех же пяти метров, но из-за больших потерь для 40-ваттного телевизора нужно будет потратить 400 Вт из первоначального источника электричества.
Задумка состоит в двух катушках, резонирующих между собой. Попадая на одну из них, переменный ток передается другой. WiTiCity создали в знаменитом MIT. Другие технические детали запатентованы и держатся в строжайшем секрете, на практике получилось добиться передачи энергии на 2 метра из теоретически возможных семи. Разработчики стремятся к тому, чтобы создать беспроводные зарядные станции для электромобилей и даже полностью убрать из наших городов ненужную устаревшую проводную инфраструктуру. В развитие нового стандарта уже вкладываются Toyota, OSRAM, Delphi, Audi, Intel.
В другом американском высшем учебном заведении, Вашингтонском университете, нашли способ передачи энергии через Wi-Fi сигнал, немного модифицировав обычный роутер Asus. Полученной таким образом энергии было достаточно для работы камеры видеонаблюдения и полной зарядки фитнес-браслета Jawbone Up24.
Выводы
За свою относительно недолгую, но бурную жизнь технологическая индустрия породила миллиарды километров разнообразнейших проводов и кабелей. Все эти километры относятся ко вчерашнему дню, сегодня же надо избавляться от этого наследия времен начала цифровой эпохи. Мне кажется, что передачу энергии «по воздуху» надо было начинать развивать вместе с началом внедрения беспроводной передачи информации – то есть 15-20 лет назад.
Но зато сейчас мы видим хотя бы какое-то движение в этом направлении, а значит, недалек тот день, когда мы перестанем мучиться с ворохом проводов в наших домах и беспокоиться о том, доживет ли смартфон до вечера и где в случае чего его можно будет зарядить.
Выпускать флагманские смартфоны без поддержки беспроводной зарядки сейчас стало попросту неприлично. Тем не менее заблуждения о них всё ещё остаются. В статье мы расскажем об устройстве беспроводных зарядок, существующих стандартах и перспективах технологии.
Как устроены беспроводные зарядки
Передавать электрическую энергию на расстояние можно разными способами. Но наиболее распространённым и пригодным к массовому использованию считается электромагнитная индукция — по принципу действия беспроводная технология недалеко ушла от простейших трансформаторов. Одна катушка расположена в адаптере — пропускаемый через неё переменный ток высокой частоты возбуждает магнитное поле, которое воздействует на катушку-приёмник смартфона. Там переменный ток преобразуется в постоянный («выпрямляется»), ведь для восполнения ресурса аккумулятора нужен именно он.
Схема работы беспроводной зарядки
Из физических ограничений таких систем стоит выделить два. Первое — взаимное расположение катушки-источника и катушки-приёмника. Для эффективной работы обе должны быть размещены друг напротив дружки. Смещение всего на половину диаметра уже критично: коэффициент связи между катушками уменьшается практически до нуля. Чтобы устранить эту проблему, производители брендовых зарядных устройств используют минимум два-три источника напряжения. А какой из них использовать, гаджет решает сам, оценивая положение смартфона.
В дешёвых китайских моделях обычно установлена всего одна катушка, поэтому они требуют точного размещения аппарата. Небрежно бросить его на подставку и пойти по своим делам не получится.
Второе ограничение — расстояние. Чем дальше от источника расположен приёмник, тем больше энергии будет рассеяно впустую. Зона эффективной работы беспроводных зарядок измеряется буквально в миллиметрах, а препятствием для работы может стать даже чрезмерно толстый чехол.
Зарядные устройства с несколькими катушками позволяют смещать смартфон
Стандарты беспроводной зарядки
Первое попавшееся ЗУ смартфону не поможет. Оба устройства должны поддерживать одинаковый беспроводной стандарт. И требование это отнюдь не праздное: неподходящее напряжение или частота тока могут оказаться фатальными для гаджета. Поэтому он не начнёт процедуру, пока не установит связь с зарядным устройством, не получит от него соответствующую команду и описание режима.
В массовых гаджетах используются три основных стандарта: Qi, PMA и AirFuel.
Беспроводные зарядки Qi. Наиболее распространён на сегодняшний день открытый стандарт Qi, носящий название китайского философского понятия. Его разработкой занимается WPC — консорциум беспроводной энергии, куда входит большинство крупных компаний-разработчиков и производителей электроники. Споры о том, как правильно произносить название стандарта, не утихают до сих пор: кто-то предпочитает англо-американское произношение «чи», кто-то — русское «ци», а кто-то — японское «ки».
Стандарт Qi имеет две разновидности: малой и средней мощности. Маломощные ЗУ (до 5 Ватт) могут заряжать любые устройства, а вот средние (до 120 Ватт), по задумке консорциума, подойдут для ноутбуков или беспроводных мониторов. Пока в продаже можно найти зарядки мощностью только до 15 Вт — это уровень технологий быстрой проводной зарядки вроде Qualcomm Quick Charge и Samsung Adaptive Fast Charging. Такая мощность обеспечивает быструю зарядку без провода, но её поддержка также требуется и со стороны смартфона.
Помимо энергии, Qi умеет передавать и информацию со скоростью до 2 Кбит/с. Обмен данными при зарядке происходит практически непрерывно и используется не только для проверки совместимости стандартов, но и для установки различных режимов или прекращения процесса.
Беспроводные зарядки PMA. Стандарт PMA был разработан одноимённым альянсом и практически не отличался от Qi. Разница разве что в использовании частоты переменного тока 277-357 кГц, в то время как Qi работает в диапазоне 100-205 кГц. Европейскому пользователю PMA практически незнаком. Зато он успел зарекомендовать себя в Северной Америке: стандарт поддерживали операторские смартфоны и гаджеты, выпущенные специально для США. В их числе — аппараты компании LG, вплоть до модели G6. Кроме того, смартфоны Samsung (почти вся S-серия и линейка Note), Motorola и ряда других компаний поддерживали и Qi, и PMA одновременно. А сетевые заведения вроде Starbucks встраивали зарядные устройства PMA прямо в столики.
Почему мы пишем об этом стандарте в прошедшем времени? Всё просто: не имея ни заметных отличий, ни преимуществ перед Qi, PMA проиграл конкурентную борьбу. И без того шаткое положение было окончательно подорвано выбором компании Apple в пользу Qi. Это привело к тому, что альянсы PMA и A4WP (стандарт WiPower, так и не получивший какого-либо распространения) объединились в AirFuel, где вскоре представили новую разработку под названием Rezence.
Беспроводные зарядки Air Fuel. Сейчас в Air Fuel входит более 250 компаний — в основном те же, что участвуют в консорциуме WPC. Разрабатываемая в AirFuel технология отличается от Qi достаточно сильно. Схема включения катушек на их резонансной частоте позволяет увеличить дальность передачи энергии со считанных миллиметров до нескольких сантиметров, но снижает КПД до 45%. Для сравнения, у Qi, использующей классический трансформатор, основанный на взаимоиндукции, этот показатель составляет 65%. Стоит отметить, что резонансный режим работы предусмотрен и стандартом Qi, но пока он не получил широкого распространения.
Другая отличительная черта AirFuel — использование Bluetooth для связи между гаджетами и зарядными устройствами. Хотя этот интерфейс сейчас есть даже в чайниках, его необходимость ставит под сомнение удобство технологии.
Пока разработки AirFuel применяются лишь в немногих аксессуарах и устройствах. Например, в ультрабуке-трансформере Dell Latitude 7285. Удастся ли стандарту найти свою нишу или его ждёт судьба PMA — судить рано.
Проприетарные решения. Как правило, их используют в различных аксессуарах. К их числу можно отнести ЗУ для смарт-часов Samsung (Gear S3 и Galaxy Watch), фитнес-трекеров Fossil Q Contro, а также способ зарядки стилуса нового iPad Pro. Пускай часы и трекеры реагируют на некоторые Qi-зарядки, прибегать к этому методу мы не советуем. Ведь неоригинальные подставки часто приводят к сильному нагреву и повреждению гаджетов. Например, известны случаи выхода из строя Gear S3 при попытке зарядить их с помощью ЗУ для смарт-часов предыдущего поколения.
Перспективы
Qi. На достигнутых результатах WPC останавливаться не собирается. Консорциум успел подготовить новую спецификацию стандарта, обеспечивающего мощность до 1 кВт. Этого хватит не только на смартфоны и ноутбуки, но и на беспроводной чайник — в WPC не скрывают планов на кухонную технику.
WiTricity. Пока WPC и AirFuel борются за рынок бытовой техники, американская компания WiTricity всерьёз взялась за электромобили. Идея простая: вы паркуете свою машину, а она начинает заряжаться — ни проводов, ни дополнительных действий. Заявленная мощность — от 3,6 до 11 кВт и выше. Стандартная зарядка для электромобилей Tesla также имеет мощность 11 кВт, так что беспроводная не будет такой медленной, как может показаться на первый взгляд. С точки зрения физики, технология использует резонанс, но с КПД до 93%. Как это удалось — обложенная всевозможными патентами коммерческая тайна. Пока зарядные устройства WiTricity существуют лишь в прототипах, но среди инвесторов компании — Intel, Foxconn и Toyota, что внушает надежду на светлое будущее.
PoWiFi. «А что, если не придумывать специальных зарядных устройств и брать энергию прямо из воздуха?», — подумала команда исследователей из США и не прогадала. Излучаемой беспроводными точками доступа энергии вполне хватает, чтобы запитать датчики или зарядить небольшие аккумуляторы (как, например, в фитнес-браслетах) на расстоянии нескольких метров от роутера. На первый взгляд, сущая ерунда. Но технология укладывается в популярную концепцию интернета вещей и может быть полезной при построении системы умного дома: если есть Wi-Fi, датчикам не потребуются ни провода, ни батарейки. Известно о разработке стало ещё три года назад, но новости о ней появляются редко, и до массового внедрения технологии, увы, далеко.
Есть два основных препятствия для масштабного внедрения технологии. Первое — необходимость поддержки со стороны производителей оборудования. Впрочем, при желании это можно обойти путём установки сторонней прошивки. Второе препятствие более существенно: в США максимальная мощность нелицензируемых передатчиков Wi-Fi ограничена 1 Вт, а это уже на грани практической применимости. В России же ограничение составляет и вовсе жалкие 100 милливатт — без изменения законодательства использовать технологию просто-напросто не получится.
Заключение
Тенденция отказа от лишних проводов будет развиваться. Нам уже не нужно подключать с их помощью акустику, клавиатуры, мыши, принтеры, прочую периферию и даже некоторые мониторы. На очереди — питание: к чему шнуры, если гаджеты заряжаются, просто валяясь на столе? Ну а если к розетке всё-таки придётся подключать маломощные устройства, то это наверняка будет розетка без штепселя Mi Power (не имеет отношения к компании Xiaomi), которая заодно ещё и разветвитель.
Нажмите, чтобы запустить GIF
Выпускать флагманские смартфоны без поддержки беспроводной зарядки сейчас стало попросту неприлично. Тем не менее заблуждения о них всё ещё остаются. В статье мы расскажем об устройстве беспроводных зарядок, существующих стандартах и перспективах технологии.
Как устроены беспроводные зарядки
Передавать электрическую энергию на расстояние можно разными способами. Но наиболее распространённым и пригодным к массовому использованию считается электромагнитная индукция — по принципу действия беспроводная технология недалеко ушла от простейших трансформаторов. Одна катушка расположена в адаптере — пропускаемый через неё переменный ток высокой частоты возбуждает магнитное поле, которое воздействует на катушку-приёмник смартфона. Там переменный ток преобразуется в постоянный («выпрямляется»), ведь для восполнения ресурса аккумулятора нужен именно он.
Схема работы беспроводной зарядки
Из физических ограничений таких систем стоит выделить два. Первое — взаимное расположение катушки-источника и катушки-приёмника. Для эффективной работы обе должны быть размещены друг напротив дружки. Смещение всего на половину диаметра уже критично: коэффициент связи между катушками уменьшается практически до нуля. Чтобы устранить эту проблему, производители брендовых зарядных устройств используют минимум два-три источника напряжения. А какой из них использовать, гаджет решает сам, оценивая положение смартфона.
В дешёвых китайских моделях обычно установлена всего одна катушка, поэтому они требуют точного размещения аппарата. Небрежно бросить его на подставку и пойти по своим делам не получится.
Второе ограничение — расстояние. Чем дальше от источника расположен приёмник, тем больше энергии будет рассеяно впустую. Зона эффективной работы беспроводных зарядок измеряется буквально в миллиметрах, а препятствием для работы может стать даже чрезмерно толстый чехол.
Зарядные устройства с несколькими катушками позволяют смещать смартфон
Стандарты беспроводной зарядки
Первое попавшееся ЗУ смартфону не поможет. Оба устройства должны поддерживать одинаковый беспроводной стандарт. И требование это отнюдь не праздное: неподходящее напряжение или частота тока могут оказаться фатальными для гаджета. Поэтому он не начнёт процедуру, пока не установит связь с зарядным устройством, не получит от него соответствующую команду и описание режима.
В массовых гаджетах используются три основных стандарта: Qi, PMA и AirFuel.
Беспроводные зарядки Qi. Наиболее распространён на сегодняшний день открытый стандарт Qi, носящий название китайского философского понятия. Его разработкой занимается WPC — консорциум беспроводной энергии, куда входит большинство крупных компаний-разработчиков и производителей электроники. Споры о том, как правильно произносить название стандарта, не утихают до сих пор: кто-то предпочитает англо-американское произношение «чи», кто-то — русское «ци», а кто-то — японское «ки».
Стандарт Qi имеет две разновидности: малой и средней мощности. Маломощные ЗУ (до 5 Ватт) могут заряжать любые устройства, а вот средние (до 120 Ватт), по задумке консорциума, подойдут для ноутбуков или беспроводных мониторов. Пока в продаже можно найти зарядки мощностью только до 15 Вт — это уровень технологий быстрой проводной зарядки вроде Qualcomm Quick Charge и Samsung Adaptive Fast Charging. Такая мощность обеспечивает быструю зарядку без провода, но её поддержка также требуется и со стороны смартфона.
Помимо энергии, Qi умеет передавать и информацию со скоростью до 2 Кбит/с. Обмен данными при зарядке происходит практически непрерывно и используется не только для проверки совместимости стандартов, но и для установки различных режимов или прекращения процесса.
Беспроводные зарядки PMA. Стандарт PMA был разработан одноимённым альянсом и практически не отличался от Qi. Разница разве что в использовании частоты переменного тока 277-357 кГц, в то время как Qi работает в диапазоне 100-205 кГц. Европейскому пользователю PMA практически незнаком. Зато он успел зарекомендовать себя в Северной Америке: стандарт поддерживали операторские смартфоны и гаджеты, выпущенные специально для США. В их числе — аппараты компании LG, вплоть до модели G6. Кроме того, смартфоны Samsung (почти вся S-серия и линейка Note), Motorola и ряда других компаний поддерживали и Qi, и PMA одновременно. А сетевые заведения вроде Starbucks встраивали зарядные устройства PMA прямо в столики.
Почему мы пишем об этом стандарте в прошедшем времени? Всё просто: не имея ни заметных отличий, ни преимуществ перед Qi, PMA проиграл конкурентную борьбу. И без того шаткое положение было окончательно подорвано выбором компании Apple в пользу Qi. Это привело к тому, что альянсы PMA и A4WP (стандарт WiPower, так и не получивший какого-либо распространения) объединились в AirFuel, где вскоре представили новую разработку под названием Rezence.
Беспроводные зарядки Air Fuel. Сейчас в Air Fuel входит более 250 компаний — в основном те же, что участвуют в консорциуме WPC. Разрабатываемая в AirFuel технология отличается от Qi достаточно сильно. Схема включения катушек на их резонансной частоте позволяет увеличить дальность передачи энергии со считанных миллиметров до нескольких сантиметров, но снижает КПД до 45%. Для сравнения, у Qi, использующей классический трансформатор, основанный на взаимоиндукции, этот показатель составляет 65%. Стоит отметить, что резонансный режим работы предусмотрен и стандартом Qi, но пока он не получил широкого распространения.
Другая отличительная черта AirFuel — использование Bluetooth для связи между гаджетами и зарядными устройствами. Хотя этот интерфейс сейчас есть даже в чайниках, его необходимость ставит под сомнение удобство технологии.
Пока разработки AirFuel применяются лишь в немногих аксессуарах и устройствах. Например, в ультрабуке-трансформере Dell Latitude 7285. Удастся ли стандарту найти свою нишу или его ждёт судьба PMA — судить рано.
Проприетарные решения. Как правило, их используют в различных аксессуарах. К их числу можно отнести ЗУ для смарт-часов Samsung (Gear S3 и Galaxy Watch), фитнес-трекеров Fossil Q Contro, а также способ зарядки стилуса нового iPad Pro. Пускай часы и трекеры реагируют на некоторые Qi-зарядки, прибегать к этому методу мы не советуем. Ведь неоригинальные подставки часто приводят к сильному нагреву и повреждению гаджетов. Например, известны случаи выхода из строя Gear S3 при попытке зарядить их с помощью ЗУ для смарт-часов предыдущего поколения.
Перспективы
Qi. На достигнутых результатах WPC останавливаться не собирается. Консорциум успел подготовить новую спецификацию стандарта, обеспечивающего мощность до 1 кВт. Этого хватит не только на смартфоны и ноутбуки, но и на беспроводной чайник — в WPC не скрывают планов на кухонную технику.
WiTricity. Пока WPC и AirFuel борются за рынок бытовой техники, американская компания WiTricity всерьёз взялась за электромобили. Идея простая: вы паркуете свою машину, а она начинает заряжаться — ни проводов, ни дополнительных действий. Заявленная мощность — от 3,6 до 11 кВт и выше. Стандартная зарядка для электромобилей Tesla также имеет мощность 11 кВт, так что беспроводная не будет такой медленной, как может показаться на первый взгляд. С точки зрения физики, технология использует резонанс, но с КПД до 93%. Как это удалось — обложенная всевозможными патентами коммерческая тайна. Пока зарядные устройства WiTricity существуют лишь в прототипах, но среди инвесторов компании — Intel, Foxconn и Toyota, что внушает надежду на светлое будущее.
PoWiFi. «А что, если не придумывать специальных зарядных устройств и брать энергию прямо из воздуха?», — подумала команда исследователей из США и не прогадала. Излучаемой беспроводными точками доступа энергии вполне хватает, чтобы запитать датчики или зарядить небольшие аккумуляторы (как, например, в фитнес-браслетах) на расстоянии нескольких метров от роутера. На первый взгляд, сущая ерунда. Но технология укладывается в популярную концепцию интернета вещей и может быть полезной при построении системы умного дома: если есть Wi-Fi, датчикам не потребуются ни провода, ни батарейки. Известно о разработке стало ещё три года назад, но новости о ней появляются редко, и до массового внедрения технологии, увы, далеко.
Есть два основных препятствия для масштабного внедрения технологии. Первое — необходимость поддержки со стороны производителей оборудования. Впрочем, при желании это можно обойти путём установки сторонней прошивки. Второе препятствие более существенно: в США максимальная мощность нелицензируемых передатчиков Wi-Fi ограничена 1 Вт, а это уже на грани практической применимости. В России же ограничение составляет и вовсе жалкие 100 милливатт — без изменения законодательства использовать технологию просто-напросто не получится.
Заключение
Тенденция отказа от лишних проводов будет развиваться. Нам уже не нужно подключать с их помощью акустику, клавиатуры, мыши, принтеры, прочую периферию и даже некоторые мониторы. На очереди — питание: к чему шнуры, если гаджеты заряжаются, просто валяясь на столе? Ну а если к розетке всё-таки придётся подключать маломощные устройства, то это наверняка будет розетка без штепселя Mi Power (не имеет отношения к компании Xiaomi), которая заодно ещё и разветвитель.
Нажмите, чтобы запустить GIF