Как работает беспроводная зарядка

Беспроводная зарядка работает за счёт электромагнитной индукции: катушка внутри зарядной панели создаёт переменное магнитное поле, а катушка внутри телефона превращает это поле обратно в электрический ток, которым заряжается батарея. Провода и контакты здесь не нужны - энергия проходит через воздух в виде магнитного поля, а не по металлу, и именно поэтому телефон достаточно просто положить на панель, не подключая ничего физически.

Что такое электромагнитная индукция

В основе явления лежит простой физический принцип, известный ещё с девятнадцатого века: если рядом с проводником меняется магнитное поле, в этом проводнике возникает электрический ток. Причём важно именно изменение поля - неподвижный магнит рядом с проводом никакого тока не создаст, а вот магнит, который постоянно то усиливается, то ослабевает, то меняет направление, - создаёт.

Именно на этом принципе много десятилетий работают трансформаторы, которые понижают напряжение в бытовых зарядных устройствах и блоках питания. Беспроводная зарядка - по сути тот же трансформатор, только его две катушки не сложены вместе внутри одного корпуса, а разнесены: одна лежит в панели на столе, вторая - внутри корпуса телефона, и между ними нет ничего, кроме воздуха и, возможно, тонкого пластика или стекла задней крышки.

Что находится внутри зарядной панели

Внутри зарядной панели, помимо самой катушки, стоит небольшая электронная схема. Она принимает обычный постоянный ток от блока питания или порта USB и превращает его в переменный ток высокой частоты - именно переменный ток, поскольку постоянный ток стабильного магнитного поля, а не колеблющегося, не создаёт. Этот высокочастотный переменный ток и поступает в катушку, заставляя её создавать вокруг себя переменное магнитное поле.

Кроме преобразователя тока в панели обычно стоят датчики, которые следят за тем, действительно ли на поверхности лежит совместимое устройство, а не, например, связка ключей. Если панель не может распознать законный приёмник энергии по ответным сигналам, она либо не включает передачу поля вовсе, либо быстро её прекращает - это одновременно экономит энергию и служит защитой от перегрева случайных металлических предметов.

Что находится внутри телефона

С обратной стороны, внутри корпуса телефона, установлена собственная приёмная катушка, обычно совсем рядом с задней крышкой, чтобы расстояние до катушки панели было минимальным - эффективность передачи энергии резко падает с увеличением зазора между катушками. Переменное магнитное поле панели наводит в этой катушке переменный ток, но батарея умеет накапливать только постоянный ток, поэтому следом стоит выпрямитель - схема, которая превращает наведённый переменный ток обратно в постоянный.

Дальше в дело вступает контроллер заряда - небольшая микросхема, которая следит за напряжением, силой тока и температурой и постепенно подводит выпрямленный ток к самой батарее, замедляя или ускоряя заряд в зависимости от того, насколько батарея уже заполнена. Что происходит с энергией внутри самой батареи и почему процесс заряда меняет скорость по мере заполнения, подробно разобрано в статье о том, как устроен аккумулятор телефона.

Почему нужно точное совмещение катушек

Магнитное поле катушки панели убывает очень быстро по мере удаления от неё, и если катушка телефона окажется в стороне или под углом, ловить это поле она будет намного хуже - эффективность передачи упадёт, время зарядки вырастет, а часть энергии просто рассеется в виде тепла. Поэтому производители зарядных панелей заботятся о точном совмещении катушек: у одних панелей катушка увеличена или сделана подвижной, чтобы прощать небольшую неточность положения телефона, у других используется кольцо магнитов, которое физически притягивает телефон точно в нужную точку и удерживает его там, не позволяя сдвинуться во время зарядки.

Именно поэтому даже небольшой сдвиг телефона на панели ночью способен ощутимо замедлить или вовсе остановить зарядку: катушки разошлись, и большая часть создаваемого поля просто не долетает до приёмной катушки.

Магнитное кольцо, удерживающее телефон в одной точке, - не единственное решение проблемы совмещения. У части зарядных панелей, особенно крупных, рассчитанных на любое положение телефона на поверхности, внутри стоит не одна катушка, а сразу несколько, уложенных рядом друг с другом наподобие сот или сетки. Электроника панели постоянно проверяет, какая из этих катушек в данный момент оказалась ближе всего к приёмной катушке телефона, и включает именно её или сразу несколько соседних, а остальные оставляет выключенными.

Такое решение избавляет владельца от необходимости укладывать телефон точно в одну размеченную точку: положить его можно почти в любом месте панели, а нужная катушка включится сама. Расплата - более сложная и дорогая электроника внутри самой панели, а также обычно чуть более скромная максимальная мощность по сравнению с панелью, изначально рассчитанной на единственное фиксированное положение, где инженеры могли заранее оптимизировать форму и размер катушки под конкретную модель телефона.

Стандарт совместимости устройств

Чтобы зарядные панели одного производителя работали с телефонами другого, отрасль договорилась об общем стандарте беспроводной зарядки, который определяет размер и расположение катушек, рабочую частоту переменного тока и порядок обмена служебными сигналами между панелью и телефоном. Как только телефон оказывается на панели, устройства коротко “переговариваются” - телефон сообщает, сколько энергии готов принять прямо сейчас, панель подстраивает мощность поля под этот запрос, а затем оба устройства продолжают обмен короткими сигналами на протяжении всей зарядки, чтобы панель знала, когда снижать мощность по мере заполнения батареи и когда прекратить передачу энергии полностью, потому что батарея уже заряжена.

Этот постоянный диалог - не просто техническая деталь, а необходимое условие безопасности: без обратной связи от телефона панель не имела бы понятия, сколько энергии на самом деле нужно, и рисковала бы либо перегревать устройство, либо заряжать его слишком медленно.

Почему беспроводная зарядка медленнее проводной

У беспроводной передачи энергии заметно больше потерь, чем у обычного провода. На каждом из шагов - при превращении постоянного тока в переменный внутри панели, при передаче энергии через воздух между катушками, при обратном превращении переменного тока в постоянный внутри телефона - часть энергии неизбежно уходит в тепло, а не в заряд батареи. Именно поэтому корпус телефона и сама зарядная панель заметно нагреваются во время беспроводной зарядки сильнее, чем при обычной проводной, и именно поэтому при одинаковой заявленной мощности беспроводная зарядка обычно заполняет батарею медленнее, чем провод.

Дополнительно на скорость влияет и сам контроль температуры: если телефон или панель нагреваются сильнее допустимого, контроллер заряда сознательно снижает мощность, чтобы не подвергать батарею риску, - это ещё одна причина, по которой беспроводная зарядка, особенно в жаркую погоду или под прямыми солнечными лучами, может идти заметно дольше, чем в прохладном помещении.

Похожий принцип в других приборах

Тот же самый физический эффект - переменное магнитное поле, наводящее ток в соседнем предмете, - лежит и в основе индукционной плиты, но применяется он там совсем иначе. В беспроводной зарядке цель - аккуратно передать электрический ток в приёмную катушку, чтобы зарядить батарею, а само магнитное поле специально подобрано так, чтобы почти не создавать лишнего тепла ни в катушках, ни вокруг них. В индукционной плите, наоборот, задача - как раз создать как можно больше тепла: переменное магнитное поле наводит в металлическом дне кастрюли вихревые токи, которые из-за сопротивления металла быстро разогревают саму посуду.

Это объясняет и практическую разницу, знакомую многим по кухне: металлические предметы, случайно оказавшиеся на зарядной панели, - монеты, скрепки, связки ключей, - точно так же начинают нагреваться под действием того же поля, только эта их особенность здесь уже не полезная функция, а источник риска, и производители встраивают в панели датчики, которые распознают такие посторонние металлические предметы и отключают передачу поля, если что-то похожее на монету оказалось рядом с телефоном.

Почему одни телефоны заряжаются быстрее других

Стандарт беспроводной зарядки задаёт общие правила связи, но не обязывает всех производителей поддерживать одну и ту же максимальную мощность. Базовый уровень мощности умеет принимать практически любое совместимое устройство, а вот более высокую мощность - и, соответственно, заметно более быструю зарядку - поддерживают только те пары “панель плюс телефон”, где оба участника заранее договорились именно о таком повышенном режиме и способны его физически выдержать: у панели должен быть достаточно мощный источник питания и катушка, рассчитанная на больший ток, а у телефона - собственная схема, способная принять и безопасно распределить возросший поток энергии, не перегревшись.

Поэтому один и тот же телефон на разных панелях может заряжаться с разной скоростью: дешёвая панель без поддержки повышенной мощности отдаст только базовый уровень энергии, даже если сам телефон способен принять больше. А максимальная скорость получается лишь тогда, когда оба устройства из одной “весовой категории” и договорились об этом в момент включения телефона на панель. Именно поэтому производители телефонов нередко выпускают собственные фирменные зарядные панели: они точно знают возможности своих телефонов и настраивают панель так, чтобы выжать из связки максимум, тогда как панель стороннего производителя может ограничиться более осторожным базовым режимом.

Обратная зарядка: когда телефон сам становится панелью

У части современных телефонов есть и обратная возможность: сам телефон способен на короткое время превратиться в источник поля и по беспроводному принципу зарядить другое устройство, приложенное к его задней панели, - например, беспроводные наушники в футляре с собственной маленькой приёмной катушкой. Работает это по той же самой схеме, только роли меняются местами: батарея телефона отдаёт ток, встроенная электроника превращает его в переменный ток высокой частоты и подаёт на ту же катушку, что в обычном режиме сама принимает энергию, а катушка наушников по соседству ловит появившееся магнитное поле и заряжается от него.

Мощность такой обратной зарядки обычно заметно ниже, чем у полноценной настольной панели, - телефон рассчитан прежде всего на приём энергии, а не на её раздачу, и его собственная батарея при этом расходуется, а не пополняется. Тем не менее для небольшого устройства вроде наушников или фитнес-браслета этого хватает, и такая функция удобна именно отсутствием необходимости носить с собой ещё одну отдельную зарядку.

Что мешает эффективной зарядке на практике

Кроме точности совмещения катушек, на эффективность беспроводной зарядки влияет и то, что находится между ними. Толстый чехол, особенно с металлическими вставками, декоративными пластинами или магнитными держателями для автомобиля, увеличивает расстояние между катушками или искажает магнитное поле, из-за чего часть энергии рассеивается впустую, а заряд идёт медленнее и с большим нагревом. По этой же причине производители телефонов обычно советуют снимать перед беспроводной зарядкой чехлы с металлическими элементами и не класть между телефоном и панелью посторонние предметы, включая банковские карты, - хотя карта не металлическая целиком, переменное магнитное поле способно влиять на её встроенный чип и антенну.

В конечном счёте вся система - от преобразователя тока в панели до контроллера заряда в телефоне - построена вокруг компромисса между удобством, с которым можно просто положить телефон на стол, и физическими потерями, которые неизбежно сопровождают передачу энергии без проводов. Ровно поэтому производители не отказываются и от классического провода: там, где важна максимальная скорость или минимальный нагрев, например при быстрой подзарядке перед выходом из дома, обычный кабель по-прежнему выигрывает у самой совершенной беспроводной панели, а беспроводная зарядка остаётся скорее удобством для повседневного использования - положить телефон на стол вечером и забрать его утром полностью заряженным, - чем способом зарядить устройство максимально быстро.