5 наивных вопросов о беспроводной зарядке, которые продолжают задавать
На Хабре есть немало статей о беспроводной зарядке смартфонов, и в комментариях к каждой из них, нет-нет, да и проскользнет наивный вопрос, который местные старожилы мгновенно заминусуют, отправив комментатора учить матчасть. Мы как, не побоимся этого слова, крупнейший производитель зарядных устройств для смартфонов с удовольствием проведем ликбез по беспроводным зарядкам, ответим на вопросы и развеем пару мифов. И начнем, пожалуй, с вопроса, от которого большинство хабровчан начинают скрежетать зубами.
Фото: Anker
Шапочка из фольги и свинцовые трусы компенсируют все негативные… извините, шутка. Уверения о некоем опасном излучении беспроводных зарядок можно воспринимать только со снисходительной улыбкой. Как говорится, не учите физику, и ваша жизнь будет полна чудес (и/или необоснованных страхов). Если на расстоянии двух сантиметров над поверхностью станции телефон перестает заряжаться и даже распознавать беспроводную зарядку, то откуда взяться излучению, которое будет «бить» на метры вокруг, выжигая мозг и репродуктивную систему?
Каждую секунду вас пронзают радиоволны сотовой связи, Wi-Fi, Bluetooth, ТВ и радиовещания и множество других сигналов в самых разных диапазонах, вы подвергаетесь воздействию электромагнитного поля от компьютера, любого электроприбора и даже электропроводки в стенах, а уж как «фонит» работающая микроволновка! И всё это не оказывает ровным счетом никакого влияния на вас, потому что это не ионизирующее излучение (то есть, не радиация).
Изучением влияния неионизирующего излучения на человека ученые занимаются десятки лет, и за это время было не раз доказано, что реальную опасность для людей представляют только долговременные тесные объятия с мощными неэкранированными излучателями, вроде военного радара, базовой станции сотовой связи, направленной точно на вас на расстоянии в пару метров или микроволновки без двери. И вред будет заключаться в разогреве молекул воды в клетках и денатурации белков.
Единственная рекомендация, которая хоть как-то затрагивает беспроводные зарядки для смартфонов, — не подносить работающую зарядку к кардиостимулятору. По инструкции медицинским устройствам вообще противопоказано любое постороннее мощное излучение. При этом нет никаких доказательств или случаев влияния Qi-зарядки на кардиостимулятор. Более того, уже разработана беспроводная зарядка для самих кардиостимуляторов.
Человеку беспроводная зарядка не может навредить никоим образом. А вот себе самой — вполне, если между телефоном и станцией оставить металлический предмет (как монета на фото). Электромагнитная индукция — дело такое.
Фото: Wireless Power Consortium
Однако если задаться такой целью, с помощью беспроводной зарядки действительно можно нанести вред смартфону. Дело в том, что хоть Qi-станции могут обнаруживать посторонние металлические предметы, попавшие между двумя катушками, некоторые тонкие предметы, вроде скрепок или декоративных вставок на чехле, могут остаться незамеченными. Оказавшись над передающей индукционной катушкой, металл неизбежно начнёт нагреваться. Нескольких минут хватит, чтобы та же скрепка раскалилась и начала плавить пластик.
КПД проводной зарядки составляет около 97%, то есть потерь энергии практически нет. А вот КПД беспроводных зарядок колеблется на уровне 60–75%. В теории, в сферических условиях в вакууме, так сказать. В реальности на КПД зарядки стандарта Qi влияет положение телефона на зарядной станции (то есть положение индукционных катушек друг относительно друга), их характеристики и размеры.
В этом году технологические новостные сайты наперебой репостили «исследование» энтузиаста, сравнившего скорость и энергопотребление проводной и беспроводных зарядок. Закономерно, результаты оказались не в пользу последних, причем КПД индукционной зарядки варьировался от станции к станции и особенно сильно зависел от положения смартфона на них. Если за 100% взять эффективность проводной зарядки, то КПД Qi варьировался от 20% до 53%, а самый лучший результат показала оригинальная Google Pixel Stand — 61%. Правда, исследование было посвящено не скорости или тепловыделению беспроводных зарядок, а их энергопотреблению — автор вел читателя к выводу, что если хотя бы половину от 3 млрд смартфонов в мире заряжать по воздуху с таким КПД, энергопотребление и нагрузка на энергосети возрастут. С одной стороны, с математикой не поспоришь. С другой, неутешительный вывод держится на вероятности «если бы, да кабы», а энергопотребление в мире и так растёт за счет цифровизации общества. 
Кстати, возьмите на вооружение USB-тестер, с помощью которого можно измерять напряжение, ток и переданную энергию. Такой гаджет стоит около 1000 рублей, но позволяет безошибочно оценить качество USB-кабелей и выходные параметры зарядных устройств. Архиполезная вещь в хозяйстве!
Фото: AliExpress
Исходя из невысокого реального КПД индукционной зарядки, мы приходим к необходимости подключения зарядной станции к блоку питания повышенной мощности. Если 5-ваттную станцию подключить к 5-ваттному ЗУ, то из-за потерь скорость зарядки смартфона будет… скорее всего, никакой, потому что результирующая мощность на приёмной катушке смартфона окажется незначительно выше энергопотребления телефона в режиме ожидания. Производители Qi-станций рекомендуют использовать блоки питания с мощностью на 30–40% выше, чем у Qi-зарядки. Так, Apple для своей новой 15-ваттной MagSafe для iPhone 12 рекомендует докупить адаптер с мощностью не ниже 20 Вт. К счастью, не обязательно производства Apple. Мы провели сравнение скорости зарядки iPhone 12 Pro через MagSafe, подключенного к оригинальному 20-ваттному адаптеру Apple и к крохотному Anker Nano на те же 20 Вт. Разница между двумя блоками питания укладывается в несущественную погрешность — 188 минут в случае с ЗУ Apple 20 Вт и 190 минут в паре с Anker Nano 20 Вт. А при зарядке от этих блоков питания не через MagSafe, а напрямую по кабелю, батарею удалось зарядить за одинаковое время в 104 минуты.
Кстати, о MagSafe. Формально с новой зарядкой Apple совместимы все iPhone с Qi-приемником, но лишь семейство iPhone 12 будет заряжаться с максимальной мощностью 15 Вт, тогда как предыдущие модели смартфона — только 5 Вт. Также обозреватели заметили странную несовместимость MagSafe с мощными блоками питания для MacBook — в паре с 96-ваттным адаптером MagSafe «раскачался» только до 10 Вт. Есть мнение, что в адаптер для ноутбука просто не «зашит» необходимый профиль питания, требуемый для MagSafe.
Раньше мы тоже советовали приобретать для наших беспроводных зарядок блоки питания примерно на 40% мощнее, однако теперь самые мощные Qi-станции, вроде Anker PowerWave II Stand мы просто комплектуем сетевым адаптером необходимой мощности. Если в комплекте с вашей Qi-зарядкой не оказалось кабеля, докупите гарантированно хороший провод — дешёвые безымянные USB-кабели часто не могут передать высокие токи, а наименее качественным кабелям не покоряется даже 0,5 А.
Рискуем удивить, но да. Как и проводная зарядка. А уж как опасно для аккумулятора отсутствие любой зарядки и уход в глубокий разряд! Аккумуляторы вообще от жизни умирают. На скорость наступления неизбежного конца по большей части влияет лишь интенсивность использования батареи. В некотором смысле литий-ионные батареи следуют завету «live fast, die young» — чем быстрее аккумулятор выработает свой ресурс циклов заряда/разряда, тем быстрее потеряет ёмкость и потребует замены.
Заметьте, мы говорим о ресурсе, выраженном в количестве циклов зарядки. Самому аккумулятору абсолютно все равно, каким образом ему пытаются восполнить заряд: по проводу или через индукционную катушку — контроллер питания любой входящий ток приведёт к нужным характеристикам и лишь затем подаст на элемент питания.
Но нет дыма без огня, откуда-то ведь взялись городские легенды об опасности беспроводной зарядки? В этом мифе есть доля правды, только не там, где полагают большинство несведущих владельцев смартфонов. Повторим: ток, подаваемый непосредственно на аккумулятор, не различается в зависимости от способа зарядки, так что никакого «повреждения индукционными токами» при использовании стандарта Qi быть не может в принципе. Аккумулятору вредит лишь нагрев до высоких температур, который ускоряет деградацию анода и катода и, как следствие, ведёт к снижению ёмкости и в особо тяжёлых случаях даже к короткому замыканию. Ускоренный износ батареи наблюдается при её нагреве выше 30 °C, то есть температурный порог издевательски мал и ниже температуры тела человека.
Давайте считать и прикидывать. КПД Qi-зарядок составляет около 60%, большая часть потерянной энергии преобразуются в тепло, которое нагревает катушки и, соответственно, смартфон, а вместе с ним и аккумулятор. Важный момент — для наиболее высокого КПД катушки в станции и смартфоне должны находиться точно друг над другом, при их смещении станция вынуждена повышать мощность, что вызывает повышенный нагрев.
Дешевые безымянные Qi-зарядники не испортят ваш смартфон, зато могут испортиться сами — экономия на элементной базе и некачественная пайка могут закончиться коротким замыканием. И хорошо, если не случится возгорания.
Фото: iphones_ru / Instagram
Смартфоны могут охлаждаться только естественным образом, поэтому добротный чехол серьезно ухудшает отвод тепла. Это не значит, что надо непременно избавляться от чехлов во имя сохранности батареи — новый аккумулятор через пару лет обойдётся дешевле, чем потенциально разбитый экран сейчас. Но свою лепту в перегрев смартфона чехол всё-таки вносит.
Поэтому же мы не рекомендуем добавлять смартфону функцию беспроводной зарядки с помощью Qi-приёмника в виде тонкой пластины со штекером. Смартфоны без Qi-катушки просто не рассчитаны на то, что сквозь них начнут протекать индукционные токи, а тыльную часть начнет нагревать индукционная катушка. В лучшем случае при использовании такого ресивера вы получите очень быструю деградацию аккумулятора из-за перегрева, в худшем — испорченные MEMS-компоненты, вроде компаса или гироскопа.
Подобные Qi-ресиверы для смартфонов можно купить за 200–300 рублей, но мнимое удобство может обернуться повреждениями аккумулятора и микромеханических компонентов смартфона.
Фото: AliExpress
Всё-таки стандарт беспроводной зарядки Qi разрабатывался не наобум лазаря. Начинку смартфонов предложили защищать изолирующей пластиной, возможные негативные эффекты от перегрева были просчитаны, а мощность — ограничена гарантированно безопасными значениями (те самые 5 Вт в первых ревизиях стандарта, 15 Вт сейчас).
Даже в самом неблагоприятном случае беспроводная зарядка не превратит телефон в сковородочку для жарки шкварок. В смартфоны встроен термодатчик, который не позволяет батарее нагреваться выше 45 °C. Если обнаружится перегрев, например из-за толстого чехла, не дающего телефону охлаждаться естественным образом, то контроллер питания потребует снизить подаваемую мощность.
Но всё это касается оригинальных спецификаций Qi с базовым ограничением мощности беспроводной зарядки смартфонов в 15 Вт. А что же с быстрыми беспроводными зарядками?
Заряжать современный смартфон от беспроводной станции мощностью 5 Вт — это очень медитативное занятие, имеющее смысл только если телефон оставлять на прикроватной тумбочке на всю ночь. Для тех, кто закономерно не хочет ждать по шесть часов, производители смартфонов предлагают собственные проприетарные быстрые зарядки, на полную мощность работающие только с определёнными устройствами их же марки. Так у Huawei есть SuperCharge на 27 Вт и 50 Вт, OPPO представила AirVOOC на 65 Вт, а Xiaomi так и вовсе в ноябре 2020 года анонсировал 80-ваттную беспроводную зарядку, способную зарядить батарею на 4000 мА·ч за 19 минут.
Чудо техники от Xiaomi — беспроводная зарядка телефона за 18 минут. А что с температурой батареи? Пока неизвестно.
Потрясающие мощности и, в теории, потрясающее тепловыделение. Заметим, что при проводной зарядке гаджеты тоже нагреваются, и этот нагрев зависит от мощности зарядки (при условии, что сам смартфон в этот момент не используется, иначе нагрев будет значительно выше). Но при беспроводной передаче энергии тепла выделяется всё же больше. Соответственно, Qi-зарядник на 5 Вт нагреется крайне несущественно, на 15 Вт — побольше, а вот как должен разогреться смартфон, который питают через 80-ваттную беспроводную станцию… На самом деле однозначно мы пока не можем ответить на этот вопрос, сверхмощная зарядка Xiaomi ещё не вышла в серию, и реальных независимых тестов пока не проводилось.
Итак, с тепловыделением быстрых беспроводных зарядок более-менее разобрались — в теории оно выше, но практически нагрев контролируется термодатчиками и разнесением высокой мощности на две отдельных передающих катушки. Но есть другой возможный негативный фактор, общий и для проводной, и для беспроводной быстрой зарядки — повышенный ток, подаваемый на аккумулятор.
Разрядка и зарядка литий-ионной батареи представляет собой процесс передачи положительных ионов лития между анодом и катодом. Чем выше мощность заряда или разряда, тем быстрее ионы покидают один электрод и прикрепляются к другому. В ходе эксплуатации батареи анод и катод неизбежно изнашиваются, а быстрая зарядка незначительно ускоряет этот процесс. Насколько? Если использовать исключительно «быстрый» способ, то разница в ёмкости в сравнении с медленно заряжаемым аккумулятором проявится года через два или примерно 500–600 циклов, но при таком износе в принципе разумно заменить батарею, так как та неизбежно потеряет 10–15% ёмкости. Подчеркнем, что эта проблема проявляется при использовании и проводных, и беспроводных зарядных устройств высокой мощности.
Стандарт Qi сразу создавался открытым, поэтому за установку индукционной Qi-катушки производители гаджетов не платят никаких лицензионных отчислений. Соответственно, поддержка Qi — это лишь вопрос себестоимости индукционного модуля и перепроектирования внутренностей смартфона. Всякая компания вольна решать, внедрять ли ей поддержку Qi или нет и катушку какой мощности интегрировать.
В мире продукции, выпускаемой тиражом в десятки и сотни тысяч (а кому повезёт со спросом — и миллионов) штук экономия даже в несколько центов не бывает лишней. Например, в iPhone X закупочная стоимость компонентов для реализации беспроводной зарядки составила $6. И это по мегаоптовой скидке для уважаемого заказчика, и это для катушки с мощностью приёма не более 7,5 Вт. Для флагмана за $1000 лишние $6 в себестоимости погоды не делают, чего не скажешь об Android-фонах начального и среднего уровня, производители которых не прочь сэкономить для повышения конкурентоспособности среди равных.
Смартфон Palm Pre опередил свое время, став первым массовым телефоном с беспроводной зарядкой. И это в 2009 году, за год до появления Qi, за два года до первого Android-фона с опциональной Qi-крышкой и за шесть лет до интеграции Qi-катушек внутрь смартфонов.
Фото: HP
К счастью, цена катушек пала достаточно низко, чтобы установка приёмника даже на 10 Вт практически не отражалась на цене телефона, хотя 3–4 года назад смартфоны почти поголовно имели катушки всего на 5 Вт. В современных устройствах приемник Qi с мощностью 5 Вт можно встретить только по двум причинам: либо вам попалось удешевлённое по всем возможным фронтам устройство, либо это намеренный шаг для разнесения смартфонов компании по разным ценовым сегментам, чтобы дорогие модели имели более явные преимущества над дешёвыми.
К делам великой важности стоит подходить легко, к делам малой важности стоит подходить серьёзно. Чтобы получить максимум удовольствия от модуля беспроводной зарядки в вашем смартфоне, следует с умом выбрать зарядную станцию, качественный кабель и зарядное устройство, а не покупать всё самое дешёвое на китайской новогодней распродаже. Кладите смартфон на станцию максимально ровно, следите, чтобы в чехле (если он есть) не было металлических вставок и, главное, не бойтесь за своё здоровье и здоровье аккумулятора.
