Даешь по Qi на каждую тумбочку! Или почему за беспроводной зарядкой будущее
Привет, Гиктаймс! Технологии сейчас развиваются так быстро, что за ними сложно уследить. Вроде бы еще недавно удивлялись устройствам с сенсорными дисплеями, а здесь уже анонсируют безрамочный смартфон. Многими плодами современного смартфоностроения мы с вами пользуемся каждый день и зачастую даже не задумываемся, как же оно все работает. Речь сегодня пойдет о беспроводной зарядке (владельцам iPhone не советуем уходить, в конце для них будет сюрприз).
Как все происходит с точки зрения пользователя, владельцы мобильных устройств прекрасно знают: пришли домой или на работу, положили девайс на специальную подставку или тумбочку (да-да, IKEA в прошлом году порадовала гиков мебелью со встроенным устройством зарядки) — и заветные проценты тут же устремляются вверх. Чтобы все было вот так просто, производителям, среди которых Qualcomm, Intel, NXP и многие другие, понадобилось немало времени и усилий для внедрения на рынок коммерчески привлекательных беспроводных зарядок.
Среди экспертов распространен спор:, а можно ли считать зарядку беспроводной, если по сути для нее все равно используется кабель, пусть и подключенный не к смартфону, а к другому устройству? Поскольку в данном случае все равно задействуется беспроводной способ передачи энергии, вполне. Способов этих несколько, но в электротехнике больше всего распространены решения, которые используют явление электромагнитной индукции для беспроводной передачи электроэнергии.
Немного о технологиях
Метод электромагнитной индукции мы еще разберем более подробно, пока же поговорим о других способах бесконтактной передачи электроэнергии. Один из них — ультразвуковой. В этом случае передатчик излучает ультразвук, а приемник осуществляет преобразование в электричество. Публике ультразвуковой способ был представлен в 2011 году, и на презентации он уже мог осуществлять передачу электроэнергии на расстоянии 7–10 метров, правда прямая видимость приемника и передатчика все равно была необходима. Передаваемое напряжение достигает 8 вольт.
Демо технологии на выставке D9 в 2011 году
Микроволновое излучение знакомо каждому. Но вот для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество потребуется ректенна с эффективностью преобразования не менее 95%. Кроме того, передающая антенна и ректенна должны быть больших размеров (около 1 км и 10 км соответственно), что делает подобный способ передачи энергии актуальным разве что для космических целей. Экспериментально беспроводная передача энергии с помощью микроволн подтверждена, однако практическое применение так и не получила, тем более среди потребительских устройств.
Если длина волны электромагнитного излучения составляет от 10 мкм до 10 нм, то есть приближена к видимой области спектра, становится возможной передача энергии с помощью ее преобразования в луч лазера, который затем направляется на фотоэлемент приемника. Малый угол расходимости монохроматической световой волны увеличивает эффективность передачи энергии на большие расстояния, компактный размер удобен для небольших устройств, да и лазер не создает радиочастотных помех для сотовых телефонов. Тем не менее в смартфонах от него отказались по вполне очевидной причине — неэффективность преобразования низкочастотного электромагнитного излучения в свет и света в электричество (КПД фотоэлементов 40–50%), высокие потери в атмосфере. Поэтому в основном передача энергии лазером тестируется в космосе.
В коммерческих целях пока используется только одна технология беспроводной передачи электричества: при помощи электромагнитной индукции.
Спасибо Тесле и Фарадею
Благодаря именно этим великим ученым в свое время были получены исследования в направлении передачи электричества по воздуху посредством электромагнитной индукции. Еще в 1831 году Майкл Фарадей открыл важный базовый закон электромагнетизма — закон индукции, а уже в 1893 году Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами в проекте для Колумбовской всемирной выставки в Чикаго. Сейчас же беспроводная зарядка применяется в целом арсенале устройств — от зубных щеток до смартфонов и автомобилей.
Если говорить более-менее простым языком, работа беспроводной зарядки основана на свойствах индукционной катушки передавать электрический ток. При ее подключению к источнику питания в ней возникает магнитное поле, которое перпендикулярно виткам самой катушки. Так что если к одной катушке подключить питание, а вторую расположить в зоне действия ее магнитного поля, в ней появится напряжение. При этом ни при каких обстоятельствах две индукционные катушки не должны соприкасаться между собой.
Одна из катушек обязательно должна выступать в роли источника, то есть к ней должно быть подведено электричество, а вторая — приемника, поэтому полностью от проводов отказаться пока нельзя. Две катушки образуют систему с индуктивной связью, как на рисунке выше. В обмотке источника (первой катушки) протекает переменный ток, который и создает магнитное поле. Последнее индуцирует напряжение в катушке-приемнике: оно может использоваться как для питания устройства, так и для зарядки аккумулятора. Если вторичная катушка сильно удаляется от первичной, магнитное поле рассеивается, поскольку не может ее достичь. Поэтому при удалении индуктивная связь становится неэффективной.
В современное время распространены две технологии беспроводной зарядки при помощи электромагнитной индукции. В одной используются сильно связанные катушки (MI — магнитно-индуктивная), в другой — слабо связанные (MR — магнитно-резонансная). Консорциум беспроводной электромагнитной энергии WPC базируется на использовании технологии MI, A4WP рекомендует использовать MR. В системах MR требуется обеспечить более высокие значения добротности (от 50 и более), чем в MI-системах, тогда как для существующих систем беспроводной зарядки значение добротности составляет от 30 до 50.
Поэтому сейчас в основу беспроводных зарядных устройств положена технология MI — сама спецификация (стандарт), в соответствии с которой создаются девайсы, называется Qi. В русской транскрипции он произносится как «Ци», что означает поток энергии. Первая разновидность стандарта позволяет заряжать устройства при низкой мощности (5 ватт), а вторая — при высокой (120 ватт). Если первую используют для зарядки аккумуляторов смартфонов и планшетов, то с помощью высокой мощности можно даже зарядить ноутбук. Правда, до коммерческого использования Qi высокой мощности так и не дошло.
Производители активно штурмуют стандарт Qi, используя его в своих смартфонах и планшетах. Среди них, например, Xiaomi Mi5 (в белом цвете тоже), Xiaomi Mi4s и Blackview R7. Модуль зарядки можно расположить в любом месте как дома, так и на работе, а если совместить его с элементом мебели (той же лампой из IKEA), можно минимизировать количество проводов.
В основном среди пользователей распространены круглые и прямоугольные передатчики, которые также называют трансмиттерами. Следует отметить, что магнитное поле способно передавать не только электрический ток, но и данные о байтах и битах, чем воспользовались при создании стандарта Qi. Катушки не будут взаимодействовать между собой, если гаджет со встроенным трансмиттером не будет находиться около передатчика. Как только аккумулятор смартфона будет заряжен, он подаст нужный сигнал, и трансмиттер начнет работу в фоновом режиме. При функционировании аксессуара в фоновом режиме посылаемый каждые 0,4 секунды передатчиком импульс не будет изменять напряжение в катушке, встроенной в трансмиттер. Однако при снижении расстояния между смартфоном и аксессуаром до нужного расстояния, устройство перейдет в режим активной работы, поскольку напряжение в индукционной катушке резко снизится.
Хотя зарядка смартфонов и планшетов с помощью Qi и соответствующих аксессуаров происходит медленнее, чем с помощью кабеля, технология все равно пользуется заметным спросом среди пользователей. Согласитесь, гораздо удобнее один раз создать небольшую «площадку» около кровати для зарядки всех девайсов, чем каждый вечер распутывать 4–5 кабелей — от своего смартфона, телефона жены, умных часов, а если еще и внешний аккумулятор решили зарядить, так вообще беда.
А это не вредно?
Многие задаются этим вопросом перед использованием Qi, ведь магнитное поле имеет излучение. Тем не менее магнитное излучение не является ионизирующим — оно влияет на организм человека не больше, чем Wi-Fi или сигнал мобильной связи. Кроме того, электромагнитное излучение пропадает сразу же, как батарея девайса зарядится, а мощности 5 ватт не хватит, чтобы оказать негативное воздействие. Не зря беспроводную зарядку используют даже в бритвах и зубных щетках.
Что делать, если Android-смартфон не поддерживает Qi? Не стоит переживать, на этот случай производители выпускают целый ассортимент специальных аксессуаров, причем стоимость многих не превышает пяти долларов. Они состоят из трансмиттера и специального приемника, который подключается в стандартный порт для зарядки — тот же micro-USB. Приемник можно зафиксировать, например, с помощью чехла, и получить по сути смартфон с Qi.
iPhone в пролете?
Хотя Apple и грозится сделать беспроводную зарядку с возможностью удаления девайса от трансмиттера на расстояние до одного метра (для клавиатуры и мыши), пока Qi нет даже в iPhone 7 и iPhone 7 Plus. Но выход, как мы и обещали вначале, есть — как и в случае с Android-девайсами, умельцы из Китая создали специальные аксессуары. Приемник подключается к смартфону при помощи Lightning, после чего может использоваться с любыми аксессуарами Qi для зарядки. Да, даже с мебелью и трансмиттерами для Android-устройств. Так что все в ваших руках!
Будущее без проводов
За последние несколько лет к стихии Qi подключились многие, включая автомобильных производителей. Они тоже понимают, что технологии постепенно отходят от проводов, а лишние кабели в автомобиле вообще ни к чему. Конечно, малый радиус действия по-прежнему остается главным препятствием, но и он преодолим, причем в ближайшем будущем.
