Всё, что вы хотели знать о беспроводной зарядке

В новом iPhone 8 уже наверняка будет возможность беспроводной зарядки. Это означает, что Apple считает эту технологию уже достаточно обкатанной и востребованной, чтобы использовать во флагманском смартфоне. Тем не менее, какой конкретно тип зарядки будет использоваться, пока точно неизвестно. Мы рассмотрим, какие виды беспроводной зарядки сейчас существуют, и подумаем, на какой технологии остановится фруктовая компания.

Типы зарядки принято делить по расстоянию работы на близкие, средние и дальние (close range, mid range и long range), так что для удобства мы сразу укажем, к какому семейству принадлежит каждый вид. 

0. Контактная зарядка. 
1.Индуктивная зарядка. (close range)
1а. Индуктивно-резонансная зарядка (mid range).
2. Микроволновая зарядка. (long range)
3. Ультразвуковая зарядка (long range).
4a. Радиочастотная зарядка (long range).
4б. Радиочастотная зарядка (close range). 
5. Солнечная батарея и инфракрасный лазер (long range).
Выводы и прогнозы

0. Контактная зарядка. 

Исторически это один из самых ранних видов беспроводной зарядки, он использовался еще с 50-х, начиная с самых первых электрических зубных щеток и домашних радиотелефонов. Суть весьма проста — для зарядки телефон кладется (или ставится) на «базу». На корпусе телефона, и на базе есть специальные металлические контакты, по которым при их соприкосновении и передается ток — трубка заряжается. Такой вид зарядки весьма надежен, но имеет несколько минусов:

  • Контакты со временем окисляются, и начинают плохо проводить ток.
  • Если положить трубку немного не так, контакта не будет и трубка не зарядится.  

Тем не менее, эта технология проста и эффективна, и используется в домашних телефонах и поныне. Помимо радиотелефонов, контактную зарядку можно встретить в электробритвах, джойстиках для игровых приставок, и даже фотоаппаратах.

На заре производства мобильных телефонов, каждый производитель считал себя обязанным предоставить пользователю зарядный стакан. Телефоны стоили столько, что плюс-минус 10 долларов не играли особой роли. 

Шли годы, и неизбежное удешевление ради объемов продаж сделало свое дело — зарядный стакан из обязательного аксессуара стал опцией, которую нужно было приобретать отдельно. Только модели самого высокого уровня комплектовались им из коробки.  Зарядные пластины исчезли с корпусов телефонов, а зоопарк разъемов убил все возможности для совместимости между моделями разных производителей.

В современных смартфонах контактная зарядка мало кем используется, тем не менее иногда появляются интересные концепты. Так, зарядное устройство FLI charge представляет собой коврик, поверхность которого покрыта проводящими пластинами, попеременно подключенных к плюсу и минусу питания.

[Best_Wordpress_Gallery id=»3″ gal_title=»FLI»]

Ответная же часть имеет группу контактов, расположенных так, чтобы при соприкосновении с пластинами не происходило короткого замыкания. Например, если положить телефон в таком чехле на коврик, система его распознает и подаст ток. Этот концепт, конечно, интересен, но вряд ли выживет в мире, где уже скоро каждый третий смартфон будет оснащен по-настоящему беспроводной зарядкой. 

В контексте контактной зарядки, не будет лишним упомянуть, что самый первый iPhone был укомплектован зарядным стаканом, что как бы подчеркивало его премиальный статус.

Тем не менее, контактная зарядка не является по-настоящему беспроводной, потому и идет в нашем списке нулевым пунктом.  

1.Индуктивная зарядка. (close range)

Слева зубная щетка GE с контактной зарядкой (1959), Справа щетка с индуктивной зарядкой (1970-e).

Эта технология почти ровесница контактной зарядки. Её первое коммерческое использование — снова зубная щетка. Она выпущена в 1970-х. Принцип его работы известен нам со школьной скамьи. Зарядное устройство создает электромагнитное поле, которое при близком контакте с катушкой-приемником, расположенной внутри аппарата, преобразуется обратно в электричество. Этот способ тоже не лишен недостатков — передача возможна только на маленьком расстоянии (4-5 мм), а для получения больших токов нужно создать очень сильное магнитное поле, которое будет влиять на другую аппаратуру и даже на людей. Поэтому такую зарядку используют только в таких маломощных устройствах, как зубные щетки и электробритвы. В последнее время технологию усовершенствовали, что сделало её пригодной для применения в мобильных телефонах и смартфонах.  В 2008 году основан Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC). В него входят компании, заинтересованные в разработке единого стандарта беспроводной зарядки. С февраля 2018 года в него входит и Apple. Консорциумом разработан стандарт QI, который сейчас является стандартом де-факто для всех смартфонов. 

Кстати, Apple владеет и собственными разработками по индуктивной зарядке — например, существует патент от 2011 года, описывающий зарядку смартфона через наушники, провод которых намотан на так называемую зарядную башню:

Apple charging through earphones

Кроме того, Apple запатентовала беспроводную зарядку своих устройств через стол (например, рабочий стол, или стол в магазине Apple Store), и через макбук: И конечно, не стоит забывать, что вышедшие в 2014 году смарт-часы Apple Watch уже оснащены беспроводной зарядкой индуктивного типа. 

1а. Индуктивно-резонансная зарядка (mid range).

 Формально это подвид индуктивной зарядки, но с некоторыми оговорками. Резонансную пару для передачи энергии на расстояние, изобрел еще Никола Тесла в 90-х годах позапрошлого столетия. Устройство требовало огромного количества энергии для работы, поэтому тогда оно было неэффективно. Сейчас технологии шагнули далеко вперед, и с современными материалами можно добиться того, что Тесле и не снилось. Принцип работы резонансной зарядки схож с обычной индуктивной. Главное отличие — и приёмник и передатчик энергии снабжены колебательным контуром, что позволяет значительно увеличить расстояние, на которое можно передать ток.

Самые свежие редакции стандарта QI используют именно этот принцип, не забывая, впрочем, и об обратной совместимости — старые QI-устройства будут нормально заряжаться новыми QI-зарядниками. Зато теперь максимальное расстояние, на котором работает QI-зарядка выросло до 4 см. 

2. Микроволновая зарядка. (long range)

Микроволны давно и успешно применяются на практике. Беспроводной передатчик энергии с помощью микроволн давно есть почти в каждой квартире.

Вот только с приемником есть небольшая проблема — очень уж он нагревается.

Строго говоря, эксперименты с передачей энергии микроволнами проводятся с самого их открытия, и небезуспешно —  уже возможна передача электричества на расстояние, измеряемое километрами, а в 2015 году группа исследователей Вашингтонского Университета продемонстрировала технологию Power over Wi-fi, с помощью который удалось заставить работать несколько камер вообще без батареи, а также без проводов зарядить фитнес-браслет. Из названия очевидно, что в данном случае энергия передавалась через Wi-fi, для чего использовалась специально доработанная точка доступа.

Конечно, здесь присутствуют те же проблемы, что и у других способов беспроводной зарядки — при безопасном для человека уровне сигнала мы получаем либо невысокую дальность, либо маленький ток. Тем не менее, работы в этом направлении ведутся, и прогресс налицо. Возможно, это и будет технологией будущего.  

Кстати, когда вышла iOS 8, в сети появились шуточные рекламные плакаты в стиле Apple, призывающие использовать новую микроволновую зарядку Apple.

Тех, кто решил это проверить, ожидало разочарование — пришлось менять и смартфон, и микроволновку. 

3. Ультразвуковая зарядка (long range).

Одни люди разрабатывают новые материалы и технологии для определенных целей, а другие задумываются, где еще их можно применить. Разрабатываемые для медицинских целей ультразвуковые излучатели привели некоторых инженеров к мысли, что их можно использовать для передачи энергии и в других областях. Один из первых патентов, описывающих ультразвуковую передачу питания, датирован 2004 годом. С тех пор многие пытаются применить этот способ на практике.

В 2011 году студентка пенсильванского университета Мередит Перри запатентовала и продемонстрировала рабочий прототип беспроводного зарядного устройства, использующего ультразвук. Она основала компанию uBeam, которая вот уже шестой год собирает инвестиции и разрабатывает устройство беспроводной зарядки на основе ультразвука.

uBeam ultrasonic transmitter

Компания не публикует никаких технических параметров, но из её зарегистрированных патентов известно следующее: предполагается, что базовое устройство будет находиться внутри стены, и излучать ультразвук частотой 120 кГц и громкостью 165дБ. В среднем, человек слышит частоты до 20кГц, собаки до 60 кГц, кошки до 80 кГц, а летучие мыши — до 115. Таким образом, этот звук будет неслышен для всех живых существ, но при такой его громкости он становится носителем довольно большой энергии, которую и будет принимать специальное устройство, подключенное к смартфону, либо вмонтированное в него. И работать это будет, по заверениям компании, на расстоянии до 7 метров. К традиционному недостатку беспроводных зарядок — невысокой мощности, прибавляется и привязанность базовой станции к конкретному помещению. Некоторые издания весьма скептически относятся к компании uBeam и предлагаемой ей системе, считая, что обещаемые компанией параметры в лучшем случае завышены, а сам стартап uBeam — это пузырь для сбора инвестиций, особенно учитывая, что дальше одного рабочего прототипа компания так и не продвинулась. На недавней презентации в феврале 2017 года показали фактически то же самое устройство, что и на самой первой, в 2009 году.  

https://twitter.com/spencerrascoff/status/827344599362383872

Не так давно, один из ведущих инженеров uBeam покинул копанию, и завёл блог «Lies, Damn Lies, and Startup PR», где изобличает компанию и её технологию.

Тем не менее, в том же, 2016 году два других инженера перешли из uBeam в Apple. Собирается ли самая инновационная компания в мире использовать ультразвуковую зарядку? Время покажет.

Кстати, еще в 2010 году Apple зарегистрировала другой патент почти беспроводной зарядки через наушники — на этот раз звуковые колебания должны преобразовываться наушниками в электромагнитные, и заряжать смартфон. Apple headset wireless charging

Очевидно, технология не взлетела.

4a. Радиочастотная зарядка (long range).

Еще один вид беспроводной зарядки базируется на принципе передачи энергии по радиочастотам. Один из способов подразумевает сбор энергии прямо из эфира. В современном мире человека повсюду окружают радиоволны — это и излучение базовых станций для мобильных телефонов, и радиоэфир, и Wi-fi сигналы. Каждый из них несет пусть маленькую, но энергию. Например, точка доступа Wi-fi,,  как правило излучает сигнал мощностью в 50-100 мВт, а если вам повезло (или не повезло) находиться рядом с базовой станцией мобильной связи, то её мощность может составлять от нескольких до ста ватт. 

Комплект на основе специальной микросхемы Power Harvester позволяет преобразовывать любые радиосигналы в энергию для зарядки или питания любого маломощного устройства.  

Power harvester principle

Если рядом нет мощных передатчиков, то технология предусматривает возможность установки такового, работающего на частотах, не используемых другими потребителями. Вряд ли эта технология будет применяться в смартфонах, поскольку её массовое использование приведет к быстрому затуханию любого радиосигнала и необходимости многократно увеличивать мощности передатчиков. Никто не согласится это оплачивать, да и влияние такого увеличения на окружающую среду сложно предугадать. Тем не менее, любой желающий может приобрести комплект деталей и собрать устройство самостоятельно. 

4б. Радиочастотная зарядка (close range). 

Другая модель радиочастотной зарядки, разработанная израильской компанией Humavox, предусматривает специальное устройство-гнездо (nest), внутрь которого нужно поместить смартфон или другой аппарат для зарядки.

Гнездо генерирует радиочастотные импульсы, которые принимаются сверхюминиатрным приемником внутри смартфона или иного устройства. Разумеется, эту возможность производитель должен предусмотреть заранее. 

humavox Reciever

Humavox отдельно подчеркивает, что приемник — не катушка, и их технология ничего общего с индуктивной не имеет. Именно это позволяет сделать все компоненты очень маленькими.

Компания может похвастаться несколькими патентами и красивыми рендерами, но к сожалению, это все что она может предложить за свою шестилетнюю историю. D 2016 году произошло слияние Humavox с австралийской горнодобывающей компанией Aurum, что привлекло дополнительные инвестиции. Поможет ли это реализации идеи, мы скоро увидим. 

5. Солнечная батарея и инфракрасный лазер (long range).

На первый взгляд, это две разные технологии, но на самом деле, у них отличается только источник сигнала.

Солнечные батареи существуют очень давно. Панель из нескольких фотоэлементов-полупроводников, преобразующих солнечную энергию в ток можно использовать для зарядки телефона. В последнее десятилетие появилось много таких аксессуаров для смартфонов. Это и Powerbank на солнечной батарее, и солнечная батарея, встроенная прямо в чехол.  

Энергоэффективность таких устройств невелика, особенно в нашей стране, а удобство сомнительно — для нормальной работы панель должна быть всегда чистой, а сами элементы довольно хрупкие, поэтому их очень сложно уберечь на мобильном устройстве. 

Тем не менее, не стоит сбрасывать фотоэлементы со счетов. Если мы не можем кардинально улучшить фотоэлемент, то давайте сделаем для него более эффективный источник сигнала — так решили в израильской (снова) компании Wi-charge. Их разработка представляет собой инфракрасный следящий лазер, и… чехол с фотоэлементом. Помимо фотоэлемента в чехле имеется система позиционирования, что позволяет лазеру «светить» точно в фотоэлемент, маленькая площадь которого делает возможным его размещение спереди, а не сзади.

Компания уже имеет несколько рабочих прототипов, и приглашает желающих поучаствовать в бета-тестировании.  Сложно прогнозировать будущее этой технологии. Скорее всего, когда все смартфоны станут QI-совместимыми, инфракрасный лазер для них станет бесполезен. Однако, с его помощью можно питать и другие устройства, например, беспроводные колонки можно сделать по-настоящему беспроводными.

Выводы и прогнозы

Вообще-то, все выводы уже сделаны — Apple вошла в консорциум WPC, имеет несколько патентов по индуктивной зарядке, и уже реализовала индуктивную зарядку в часах Apple Watch. Очевидно, к чему всё идет — в новом iPhone будет индуктивно-резонансная зарядка самого нового поколения, совместимая с QI. Может быть, она будет превосходить конкурентов по каким-либо параметрам, например, по максимальному расстоянию работы, но совместимость с QI точно будет реализована, иначе в ней просто не будет смысла. ■