AirPower глазами физика: выпустить ее было бы очень сложно



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.

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

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.
  

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

Рекомендации

Рекомендации

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
#
+1764
Пользователь удален Konstantin Kottov
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
#
+1764
Пользователь удален Konstantin Kottov
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
#
–278
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
+621
Не переживай, это дело времени.
2 апреля 2019 в 14:23
#
+48
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
#
+73
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
#
+73
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
#
+73
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
#
+245
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
+247
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
#
–743
они беспроводную сделают точно
31 марта 2019 в 13:02
#
–743
они же удивляют часто :)
31 марта 2019 в 13:04
#
+859
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
+621
Да ничего аналогичного они не делают, просто очередной ящер решил поумничать, но сам же выставил себя дураком.
31 марта 2019 в 20:18
#
+528
Китайцы ни чего в этой жизни сами не придумали. Все технологии которые они используют тупо сворованы.
31 марта 2019 в 13:55
#
John Doe
+754
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
#
+4791
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
#
+4791
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
#
+200
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
+621
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
#
+130
Неудачники... больше не имею дел с яблоком
31 марта 2019 в 18:17
#
Cyberika
+377
Если ты это серьезно то все, им конец.
31 марта 2019 в 19:24
#
+359
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
#
–278
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
+367
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
#
–11
4 июля 2020 в 13:26
#

Читайте также