Не могу отделаться от ощущения при каждой новой распаковке, что чего-то не хватает… Первой зарядку из коробки смартфона убрала Apple, в 2020 году на презентации iPhone 12. Громко и ясно!

Другие компании сначала высмеяли купертиновцев, а затем также перестали класть зарядку в комплект к телефону. Особенно отличилась Samsung, которая через короткое время начала троллить конкурента. Однако через несколько месяцев все материалы были удалены, так как компания готовилась к запуску Galaxy S21, в комплекте которого тоже не было зарядки.

Компания Xiaomi сначала также подхватила этот тренд, выпустив в конце 2020 года Xiaomi Mi 11 без зарядки в комплекте, но при этом дала возможность покупателям получить её бесплатно, а затем с выходом Xiaomi 12 вернула зарядку в комплект, прислушавшись к своим пользователям.

Компания Google решила присоединиться к Apple и Samsung и оставила покупателей смартфонов линейки Pixel 6 без зарядного устройства в комплекте. Но почему компании так поступают?

У этого есть два популярных объяснения: кто-то скажет, это сделано только из-за погони корпораций за прибылью, более прекраснодушные люди скажут: что дело в заботе об экологической обстановке. Однако не всё так просто и у, казалось бы, элементарного решения не класть блок питания в комплект к смартфону есть гораздо более любопытные причины. Давайте разберёмся, как это устроено.

Экология

Сами компании объясняют отказ от комплектной зарядки, в первую очередь, заботой об экологии. На презентации iPhone 12, Apple назвала беспокойство об экологии единственной причиной исключения зарядки и наушников из коробки. И похоже, основания, у этого есть.

Американское издание The Verge, со ссылкой на исследование института ООН, заявляет, что к 2020-му году было выброшено зарядок на 54 000 тонн. Это много или мало? Относительно всего электронного мусора, не очень, одна десятая процента от 57 миллионов тонн. Эта цифра, в свою очередь, составляет меньше 3% от объёма всего мусора, создаваемого человечеством ежегодно — 2 миллиардов тонн.

Однако давайте представим, сколько места занимают одни лишь выброшенные зарядки. Если мы возьмём среднюю плотность отходов на свалке в 300 кг на кубический метр и среднюю высоту свалки в 6 метров, около двух этажей, то получается, что площадь, занимаемая одними только зарядками, равна площади Владимирской области (30000 км2).
Согласитесь, цифры внушительные. Но это только полбеды. Другая проблема в том, что эти отходы сложносоставные и не перерабатываются полностью.

А вообще, зарядка это совсем неглупый гаджет. Забавный факт, что простой блок питания, по словам инженера Apple, обладает большей вычислительной мощностью, чем бортовой компьютер космического корабля «Аполлон-11», доставивший американских астронавтов на Луну в 1969 году. А вроде кажется, где простая зарядка к телефону, а где компьютер, вошедший в историю. Дальше нам это будет важно.

Электронный мусор продолжает накапливаться из года в год и каждые 15 лет его количество удваивается. Согласно исследованию института ООН, в 2019-м году было переработано всего лишь 17 процентов электронных отходов, всё остальное лежит на свалках и отравляет почву, делая её непригодной для земледелия, даже если свалку закроют.

Но проблема не столько в количестве, сколько в токсичности таких отходов. Может, блок питания можно легко переработать и никакой проблемы для окружающей среды не будет? Тут скорее нет, любой блок питания состоит из множества материалов — медь, алюминий, кремний, олово используются для «внутренностей», а корпус сделан из АБС-пластика.

По отдельности, эти материалы легко перерабатываются, но возможности по переработке электроники, состоящей из множества разных материалов пока что крайне ограничены, поэтому беспокойство больших корпораций по этому поводу вполне оправдано, никому не хочется быть виноватым за столь масштабные загрязнения.

А что говорят сами компании? На странице сайта компании Apple, посвящённой усилиям компании по охране окружающей среды, сказано, что отказ от зарядки в комплекте поставки iPhone 12 позволил сократить добычу меди, олова и цинка больше, чем на 550 000 тонн, что означает меньше выбросов, связанных с добычей и обработкой этих металлов. Сама Apple говорит, что отсутствие зарядки в комплекте спасает планету от 2 000 000 тонн выбросов углекислого газа в год, что эквивалентно выбросам 500 000 машин в течение того же года. Тем не менее, это все равно капля в море. Остальные производители используют более обтекаемые формулировки и конкретных цифр не называют.
Однако ни Apple, ни Samsung, ни Google отнюдь не перестали производить блоки питания, а производство зарядок отдельно всё равно приводит к выбросам углекислого газа. И главное — не торопятся делиться результатами своих экоусилий. Поэтому заботу компаний об экологии вряд ли можно считать главной причиной отсутствия зарядки в коробке, такой аргумент звучит неубедительно, когда зарядки хоть и пропали из комплекта поставки, но отдельно их всё равно производят и продают.

Экология — это скорее имиджевая часть. Давайте поймем, что там с финансовой. Ведь “Фззду наверняка хочется навариться, продав нам больше зарядок, ведь так?” Сейчас мы разберём и эту точку зрения.

Прибыль

Казалось бы: сокращение комплекта поставки – довольно простой и очевидный способ заработать больше с каждого смартфона. Но насколько больше? Давайте посчитаем.
Мы можем открыть финансовый отчёт Apple за март 2021-го, то есть спустя почти полгода после запуска iPhone 12. Однако всё, что тут есть по зарядкам — это общая стоимость проданных аксессуаров, часов и колонок HomePod, нам это не подходит.

Зато, есть исследование британского издания Daily Mail, согласно нему Apple экономит около $35 с каждого iPhone без наушников и зарядки в комплекте, по 17 с половиной долларов с каждого аксессуара. Получается, что при проданных за полгода с момента начала продаж 190 миллионах iPhone 12, компания сэкономила приблизительно 6,5 млрд долларов на наушниках и зарядке и 3,25 млрд долларов только на одной лишь зарядке.

Теперь вернёмся к отчёту Apple. Согласно нему, чистая прибыль компании за те же полгода составила 52 миллиарда долларов. Получается только благодаря отказу от комплектной зарядки, компания обеспечила себе около 6% прибыли. Звучит уже неплохо.

Однако Apple убрала зарядку не только из коробки iPhone 12. После выхода iPhone 12, Apple изменила комплект поставки моделей предыдущих поколений – iPhone 11 и iPhone XR, также убрав из них зарядку и наушники, компания назвала такое решение slimbox. Таким образом, компания мотивирует при покупке даже не самых новых моделей дополнительно потратиться на зарядку.

С другой стороны, iPhone 11 с зарядкой в момент выхода стоил столько же, сколько и iPhone 12 без зарядки — от $699. Затем, iPhone 11 без зарядки стал стоить на $200 дешевле — от $500. Да и стоимость стандартного 18-ваттного блока питания после выхода iPhone 12 снизилась на треть, было $29, стало $19. То есть компания не такая жадная, как может показаться на первый взгляд.

По итогу можно сказать, что увеличение прибыли — значительный фактор, но настолько ли он значительный, чтобы компании были готовы к негативной реакции пользователей Может быть, есть что-то ещё?

Логистика

И тут мы приходим к одной из самых главных причин отказа от комплектной зарядки. Это логистика. Помимо того, что смартфоны нужно произвести и упаковать, их нужно довезти до места продажи. То есть как это обычно устроено, с завода устройства отправляются в морской порт или аэропорт, оттуда их доставляют на центральный склад страны и региона назначения, и оттуда они развозятся по складам поменьше и магазинам.

Бывает, что логистика смартфона не предусматривает его долгую и далёкую доставку по всему миру. Например, Samsung производит смартфоны в Индии, Южной Корее и Индонезии преимущественно для локальных рынков этих стран или регионов. Это позволяет значительно сэкономить на логистике.

А вот для кого ситуация обратная, так это для компании Apple, давайте её рассмотрим подробнее. Все iPhone производятся на комплексе производств, принадлежащих небезызвестной Foxconn. Оттуда и начинается долгий путь iPhone от конвейера к полке магазина. Согласно статье The New York Times, после сборки, коробки с iPhone складываются на деревянные паллеты и направляются к грузовикам, которые вывезут смартфоны за пределы завода. Первой остановкой за пределами завода является таможня, где, формально, Foxconn продаёт iPhone компании Apple, и та уже решает, куда их доставлять.

Рассмотрим маршрут доставки, если пунктом назначения для партии iPhone является США, в таком случае, грузовики везут смартфоны в аэропорт, где их загружают в самолёт Boeing 747. Он отправляется сначала на Аляску, в Анкоридж, а затем, после заправки – в город Луисвилл, штат Кентукки, там расположен крупный транспортный хаб, и уже оттуда iPhone развозят по локальным складам, а оттуда по магазинам. Всего такая дорога занимает в среднем 3 дня.

Но как можно выиграть, уменьшив коробку гаджета? Слово «объём» тут ключевое. Смартфоны и аксессуары к ним от места производства к месту распределения доставляются самолётами и наземным транспортом, как мы уже выяснили. Компания Apple утверждает, что с выходом iPhone 12 без зарядки и наушников в комплекте, на один деревянный паллет теперь помещается на 70% больше коробок со смартфонами. Если посчитать самостоятельно, то получится что объём коробки с iPhone 12, без зарядки и наушников, на 52% меньше объёма коробки iPhone 11, с комплектными наушниками и зарядкой. Возможно, дополнительные 20% вместимости достигнуты какими-то другими оптимизациями.

Apple не даёт конкретных цифр продаж своих зарядок, поэтому подсчитать экономию можно лишь примерно, но давайте попробуем.

Известно, что из 240 миллионов произведённых в 2021-м году iPhone, в Китае было продано 40 миллионов, а значит остальные 200 миллионов Apple развезла по всему миру. Когда Apple продавала смартфоны с зарядкой и наушниками в комплекте, в один самолёт Boeing 747 помещалось 150 000 коробок с iPhone. То есть для доставки из Китая 200 миллионов смартфонов потребовалось бы около 1300 авиарейсов. С уменьшенным объёмом коробки получается, что одним рейсом того же самолёта стало возможным доставить 250 000 коробок, а доставка 200 миллионов iPhone займёт всего 800 рейсов.

И мы можем посчитать сколько это стоит. Чтобы подсчитать, сколько Apple экономит на такой оптимизации авиарейсов, обратимся к статье Forbes, в которой говорится, что стоимость полёта самолёта Boeing 747 составляет $25000 в час. Перелёт из Китая на Аляску занимает 9 часов, значит стоимость одного рейса будет составлять примерно $225 000. 1300 таких рейсов будут стоить внушительные — 290 миллионов долларов, 800 рейсов будут стоить 180 миллионов долларов, всё ещё существенно, но экономия будет составлять аж 110 миллионов долларов в год, неплохо так, согласитесь. На одной только перевозке гаджета. Конечно, какое-то количество дополнительных рейсов потребуется для перевозки зарядок отдельно, но их нужно значительно меньше.

Также, такая оптимизация очень помогает во время ажиотажного спроса. Издание MacRumors.com подсчитало, что за сезон рожденственких праздников в конце 2021-го года Apple продала 40 миллионов iPhone 13. Что в два раза больше, чем Apple отгрузит за первый квартал 2022-го года. Удовлетворить такой спрос с прежними объёмами перевозок было бы крайне проблематично.

Говоря в целом, в начале ролика, в разделе про экологию, мы разобрали, что странно говорить про сокращения выбросов углекислого газа, если зарядки всё равно производятся, только теперь отдельно. Так вот, для экологии производства такой аргумент действительно не очень подходит, а вот если рассмотреть экономию на логистике – то вполне. Доставка смартфона – сложный, многоступенчатый процесс, и тратить ресурсы на перевозку зарядки, которая согласно статистике, и так уже есть у 6 из 7 людей в мире, выглядит не очень оправдано.

Получается, что именно на логистике компании больше всего экономят. То есть главная причина сокращения комплекта поставки заключается как раз таки в упрощении логистики, так достигается значительная экономия средств, и как приятный бонус, сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу.

Получается, у производителей смартфонов есть довольно много причин больше не класть зарядку в комплект к смартфону. И даже не все из них являются надуманными, а идут на пользу и покупателю, и производителю.

Компания Tesla прекратила включать бесплатные мобильные разъемы в комплект к новым автомобилям. Изменение было впервые замечено пользователем Twitter Tesla_Adri, а затем подтверждено генеральным директором Илоном Маском. Этот аксессуар, цена которого в настоящее время составляет 275 долларов США, позволяет подключить автомобиль Tesla к розетке и получить от двух до трех миль запаса хода после часа зарядки.

«Основываясь на полученные отзывы, мы снизим цену на мобильный разъем до $200 и сделаем его легко заказываемым вместе с автомобилем. Обратите внимание, что мобильный разъем не нужен, если у вас есть настенный разъем Tesla или если вы используете Supercharger. Рекомендуем установить настенный разъем Tesla задолго до того, как у вас появится электромобиль» — написал Илон Маск в своем Twitter.

«Статистика использования была очень низкой, так что это казалось расточительством», — продолжил Маск в ответ на чей-то комментарий к новости. «К (незначительным) плюсам можно отнести то, что мы будем включать больше адаптеров в обновленный комплект мобильных разъемов».

Как отмечает Electrek, это не первый случай, когда Tesla убирает кабель для зарядки. Ранее компания поставляла разъемы Level 1 и Level 2 с каждым новым автомобилем, но позже перестала комплектовать последний адаптером.

Apple, по слухам, представит двухпортовый адаптер питания USB-C. Недавно технологическая компания опубликовала на своем сайте документ поддержки «35W Dual USB-C Port Power Adapter».

Хотя никаких изображений не появилось, примечания показывают, что продукт будет поддерживать стандарт быстрой зарядки USB Power Delivery. Маркировка 35 Вт указывает на то, что зарядное устройство будет предназначено для быстрой зарядки Apple iPhone, часов и AirPods.

В отчетах отмечается, что подобная утечка от Apple может означать, что «35W Dual USB-C Port Power Adapter» может быть выпущен в ближайшие месяцы.

Очевидно, что возросшая мощность — это плюс, но в то же время надо понимать, что этот аксессуар будет продаваться отдельно!

Google стал следующим производителем смартфонов после Apple и Samsung, который откажется от сетевого адаптера.

Представители компании официально подтвердили The Verge, что в Pixel 6 не будет зарядки. В Google считают, что у людей достаточно много USB-C зарядок.

Таким образом, Pixel 5a станет последним смартфоном, в комплекте которого будет идти сетевой адаптер.

Отказ от зарядки позволит не только уменьшить углеродный след, но как и в случае с другими смартфонами сильно уменьшить упаковку и доставлять больше устройств в том же условном контейнере.

Сегодня бренд realme представил MagDart — первое беспроводное магнитное зарядное решение для Android.

Компания продемонстрировала новый смартфон realme Flash, который поддерживает эту технологию, а также сразу несколько продуктов линейки MagDart:

• Беспроводной MagDart Charger мощностью 50 Вт. Он зарядит аккумулятор смартфона realme Flash ёмкостью 4500 мАч меньше чем за час;

• Тонкий и компактный MagDart Charger мощностью 15 Вт;

• Павербанк с поддержкой этой технологии.

Также было продемонстрировано несколько аксессуаров, которые крепятся на магнит к смартфону. Среди них кошелёк, специальный кейс для смартфона realme GT, который позволит пользоваться беспроводной зарядкой в этом смартфоне, и кольцевая вспышка Beauty Light для селфи-камеры.

Цены и даты выхода продуктов в России пока неизвестны.

Сегодня мы расскажем про самую быструю в мире беспроводную зарядку, которую уже можно купить. Её мощность составляет 80 Вт, а сделали такую зарядку в Xiaomi. И это безумно мощно…

Если мы посмотрим на зарядку, которая идет в комплекте вашего смартфона, то никаких Ватт не увидим. Там написаны Вольты и Амперы. Мощность в Ваттах — это как раз произведение Ампер на Вольты, а значит нас интересует самая большая комбинация этих величин.

Например, зарядка iPhone и iPad максимум 20 Ватт: 9 В * 2.2 А.

Чемпионы быстрой зардяки, такие как OPPO или OnePlus имеют 65 Ваттную зарядку по проводу. Правда, OPPO анонсировали беспроводную зарядку такой мощности, а проводную довели до 120 Вт, но мы не видели ни адаптеров, ни беспроводных зарядок, ни устройств с их поддержкой.

Беспроводные у OPPO и OnePlus быстры и выдают в районе 30 или 50 Вт.

К современным же ноутбукам обычно кладут проводные зарядки мощностью 65 Вт.

Сегодня мы поговорим о том, как такое возможно и за сколько можно зарядить смартфон такой штукой.

Этот зарядник пока поддерживает только один смартфон — Xiaomi Mi 11 Ultra. Но есть один нюанс…

Вообще-то в смартфоне заявлена поддержка беспроводной зарядки мощностью 67 Вт.

Хотя недавно Xiaomi показали 120 Ваттную беспроводную зарядку на кастомном смартфоне. Интересно, что с ним стало после такого…

Итак, давайте поставим смартфон заряжаться. А пока разберемся, как это работает.

Беспроводная зарядка основана на электромагнитной индукции. Это когда ток идет в катушке зарядника, и если рядом положить смартфон с катушкой, то у электронов получается своеобразная телепатия.

Как идёт зарядка?

Но почему же все производители не делают быстрые беспроводные зарядки? Тут есть целый комплекс проблем.

Но одна из главных — это нагрев.

Во-первых, греются катушки: и в заряднике, и в смартфоне.

Во-втрых, греются батарейки. Для этого прозводители ставят датчики температуры в зарядные устройства и естественно в смартфоны. На обоих сторонах процесса есть контроллеры, которые общаются между собой и выбирают оптимальный режим.

Зарядник

У новой беспроводной зарядки Xiaomi очень прикольный дизайн. Предыдущая мощностью 55 Ватт у них выглядела заметно проще.

В комплекте с беспроводной зарядкой идёт адаптер.

Он сам по себе интересный: ведь по проводу может заряжать смартфон аж на мощности 120 Ватт. Только смартфонов поддерживающих такую мощность пока нет. Вернее есть, но есть нюанс: прошлогодний Xiaomi Mi 10 Ultra умел заряжаться с такой мощностью, но нынешний Mi 11 Ultra получил только подднержку 65 Вт. Скорее всего в компании решили, что 120 Ватт слишком быстро портят батарею.

В зарядной станции есть большой вентилятор снизу и отверстие для поддува: все для отвода тепла.

Но максимальная скорость и мощность зарядки, как мы сказали выше, работает только с Xiaomi Mi 11 Ultra.

Другая важная вещь, которую нужно знать про скорость зарядки: смартфон не заряжается с максимальной мощностью все время зарядной сессии.

Потому что от быстрой беготни электрончиков устройство нагревается, а это вредно для всех компонентов, особенно для батареи.

Другая проблема беспроводной зарядки — это коэффициент полезного действия, то есть сколько энергии получает аккумулятор смартфона, а сколько «улетучивается» в процессе зарядки. То есть, если зарядник отправляет 80 Ватт, то сколько приходит в смартфон?

КПД современных беспроводных зарядок — около 85-90%.

Интересный момент ещё и в том, что важно совместить катушки как можно точнее.

Кстати, в Xiaomi Mi 11 Ultra  только одна катушка для беспроводной зарядки. Но она покрыта специальной пленкой, рассеивающей тепло. Кстати, объем аккумулятора тут 5 000 мАч.

Процесс зарядки

Видно, что даже без телефона, зарядкик потребляет около 0,3 — 0,4 Ватта. Это видимо работа вентилятора, который включается сразу при подключении к сети.

Поначалу значения были совсем маленькими: меньше 10 Ватт, но потом мощность начала расти.

Позже Xiaomi Mi 11 Ultra показал фирменную анимацию зарядки. Интересно, что на ней было написано 67 Ватт, то есть максимум, который мы видим в спецификациях.

Но что мы видим дальше? На 10 процентах смартфон включил полную мощность и на счетчике мы видим 77-79 Ватт, то есть практически заявленные 80 Вт.

В районе 25 процентов телефон ожидаемо нагрелся и мощность сбросилась до 42 Ватт, а смартфон перешёл на крейсерские 40-50 Ватт. Это мы видим управление режимами.

До 50% смартфон зарядился примерно за 16 минут. Далее мощность постепенно снижалась и на полную зарядку ушло ровно 40 минут.

Стоит отметить, что смартфон не горячий. Все это конечно впечатляет: такая скорость, да еще и на удобном стенде и без провода.

Интересно, что после 100 процентов зарядка продолжила потреблять около 20 Ватт. Видимо смартфон сообщил, что полностью заряжен, но фактически емкость еще оставалась. Возможно это для того, чтобы его отключили раньше, что полезно для аккумулятора.

Можно сказать, что 67 Ватт это как раз и есть примерно 85 процентов от 80, то есть как раз речь про тот самый КПД! Вроде как, все сходится, но скорее всего дело не в этом. Дело в том, что Xiaomi уже показывали отдельный режим беспроводной зарядки мощностью 80 Ватт, так что скорее тут отображается именно мощность, отдаваемая самимм зарядным устройством.

Прочее

Можно ли заряжать другие устройства? Можно, но добиться максимальной мощности не получится.

Например, iPhone заряжается на мощности меньше 10 Вт. Вы же наверняка помните, что Apple обещала максимальные 15 Вт по беспроводу только через официальные зарядки.

Кстати, оказалось, что внутри беспроводной зарядки не одна, а две катушки. А в смартфоне одна. С одной стороны, возможно, что в будущем можно ждать увеличения мощности в 1,5-2 раза, когда и в смартфоне будет установлено две катушки. С другой — сейчас можно заряжать его ставя горизонтально или кладя вертикально, чтобы смотреть фильмы или ролики в YouTube.

Итоги

С одной стороны такая быстрая беспроводная зарядка — это хорошо. Но работает и нужна она только в тех случаях, когда у вас есть несколько минут, чтобы зарядить смартфон на полную. К тому же, кто мешает в таких «экстренных» случаях воспользоваться, например, проводной, которая еще мощнее и еще быстрее (у Xiaomi уже есть и 200 Вт по проводу). В большинстве сценариев беспроводная зарядка это удобный стенд или мат, на который ты кладешь смартфон на ночь или спокойно заряжаешь в течение дня (зарядка в этом случае установлена на рабочем столе). К тому же платой за быструю зарядку всегда выступает деградация батареи…

Компания Razer представила свою собственную зарядку на основе нитрида галлия (GaN), которая поддерживает мощность до 130 Вт. При этом одновременно можно подзаряжать до 4 устройств.

Размеры зарядки компантые 32 х 77х 62 мм, а вес — 349 граммов, то есть мы можем вполне назвать её компактной. ОНа может одновременно заряжать два устройства по USB-C и выдавать мощность 100 Вт, а два USB-A разъёма работают на мощности 18 Вт.

Такая GaN-зарядка может стать еще и отличным адаптером для путешествий (когда они вернуться к прежнему уровню). В комплекте кроме американского штекера, будут лежать и другие.

Правда стоит «фирменная» зарядка дороже конкурентов, которых можно найти на всем известных сайтах. За GaN-зарядку от Razer придется выложить 180 долларов.

Когда Apple еще клали зарядки в свои iPhone все над ними смеялись! Ведь в коробку клали зарядник на 5 Ватт. А потом компания просто убрала зарядки из комплекта. 

И честно говоря есть за что их пинать в этом плане. Например, к своим элегантным, тонким ноутбукам они кладут огромные зарядки. Это огромный кирпич!

А сейчас о зарядках вообще очень активно заговорили, как раз в свете того, что кампании, по примеру Apple начали убирать адаптеры из комплекта. Люди начали искать и нашли — оказывается рынок полон отличных зарядок. 

Они меньше, дешевле, имеют много разъемов и умеют умно распределять мощность между девайсами. Уже выпускаются 100 Ваттные адаптеры с четырьмя портами, размером с кредитную карточку. Но почему-то везде на коробках написано GaN.

Что такое GaN? Где этот GaN и чем он отличается от того, что было раньше? Да и вообще, что было раньше? И главное — почему они такие маленькие и при этом мощные? Сейчас все вам расскажем! 

Теория

Но начать надо как обычно с основ. Итак, самым главным материалом конца XX и начала XXI века является, без сомнений, кремний. Кремний — это материал, на котором основана вся современная микроэлектроника! 

И что же сделало его таким особенным? Кремний — это полупроводник. С точки зрения проводимости тока — это некий промежуточный тип материала.

С одной стороны, у нас изоляторы — такие материалы как пластик, стекло или резина. С другой же — проводники, такие как, медь, алюминий, серебро. И в чем же между ними разница? Сейчас все просто объясним: 

Вы ведь помните, что атом состоит из ядра и электронов, которые как бы летают вокруг него, практически как планеты вокруг солнца! 

Так вот внешние электроны, которые расположены дальше всего от ядра и являются ключом к тому, почему все проводники легко проводят ток. Эти электроны фактически свободные, они не закреплены за своим ядром и способны спокойно бегать по материалу. А это и есть электрический ток.

В изоляторах же все ровно наоборот — электроны очень плотно, скажем так, прикреплены к своим ядрам, соответственно они не могут никуда деться. Нет движения электронов — нет тока!

А вот в полупроводниках все как бы посередине. Электроны сидят плотно в спокойном состоянии и материал выступает в качестве изолятора, но если приложить какую-то внешнюю энергию к системе, то материал начинает проводить ток.

Если вы слушали учителя на уроках физики, то там звучали такие термины как Валентная зона и Зона проводимости — так вот это они и есть. 

Электроны в зоне проводимости — это те самые электроны, которые создают ток. Но вот для того, чтобы эти электроны оказались в зоне проводимости они должны перейти некий барьер, то есть получить энергию. Эта энергия называется запрещенной зоной и измеряется в электрон-вольтах.

Тут хорошей аналогией будет вокзал, где вы — это маленький электрон, а поезд — это зона проводимости. Если лестница на вокзал очень высокая и крутая, то вам будет очень тяжело подняться наверх и вы никуда не поедете — прямо как в изоляторе. Если лестницы нет совсем, то вы вообще сразу можете сесть на свой поезд и поехать дальше — то есть как в проводнике. 

А вот если лестница есть, но небольшая, то вам для того чтобы уехать, надо по ней подняться немного — то есть приложить энергию, и тогда вы спокойно сможете уехать! Это и есть полупроводник. 

Почему GaN?

Итак, мы поняли, что такое полупроводник и что такое запрещенная зона. Тут то и настала пора перейти к GaN или по-другому, к нитриду-галлия и объяснению почему он вдруг стал настолько популярным полупроводником. 

Полупроводники бывают разные и величина запрещенной зоны в них разная. Можно сказать, что у них отличается, высота лестницы на вокзале! 

Например, у кремния она около 1 электрон-вольта, а у нитрида-галлия в три раза больше — 3,4. Кстати, популярные полупроводники — это не только кремний и Нитрид Галлия. Есть еще Карбид Кремния, Арсенид галлия, которые уже успешно применяются в разных областях. А некоторые исследовательские группы пробуют использовать  даже Алмаз в качестве основного полупроводника!

И здесь вы можете подумать, что большая запрещенная зона значит, что нам надо приложить больше энергии для того, чтобы переключить транзистор, а значит и они будут не такие энергоэффективные! В чем же тогда плюс? Большая запрещенная зона — это одновременно и плюс, и минус. Все зависит от области применения материала!

Во-первых, Нитрид из-за большей запрещенной зоны может работать при более высоких температурах! Ведь температура — это тоже энергия. Именно поэтому обычные процессоры на основе кремния требуют серьезного охлаждения, ведь они могут работать только до 100 градусов, а GaN-транзисторы спокойно работают при температурах даже выше 300 градусов!

Во-вторых, напряжение пробоя. Если на классический транзистор из кремния подать большое напряжения, то ток начнет течь через транзистор независимо от того открыт он или нет. То есть теряется возможность его контроля — это и есть пробой транзистора.

GaN-транзисторы же могут выдерживать большее напряжение, это значит, что они могут быть меньше в размерах! Именно это и делает зарядки на основе нитрида Галлия маленькими. 

Кроме того, сопротивление материала меньше чем у Кремния, что приводит к тому, что материал меньше нагревается! Опять же — нет необходимости встраивать сложную, тяжелую и большую систему охлаждения!

Ну и наконец — время переключения транзистора сильно меньше, чем у Кремния. Все это делает его отличным кандидатом для, так называемой, силовой электроники! 

Это огромная область, с которой каждый из нас сталкивается каждый день. Например, именно такие устройства занимаются тем, что выпрямляют переменный ток в постоянный или делают из 220 вольт в вашей розетке 1,2 вольта, которые необходимы для работы вашего процессора в компьютере! Проблема в том, что устройства основанные на классическом кремнии обычно теряют много энергии в процессе преобразования, в то время как нитрид-галлиевые девайсы, могут быть в десятки, а то и тысячи раз более эффективными при преобразовании! А значит и меньше в размерах.

Кстати, уже подсчитано, что если выполнить все микросхемы в зарядках на основе высокоэффективного Нитрида-Галлия,  то телефонные блоки питания будут размером с простую вилку для розетки! А в теории всю систему преобразования можно будет поместить в маленький микрочип на печатной плате вашего телефона и ноутбука! 

Почему не перейти полностью на GaN?

И тут вы справедливо спросите, а почему тогда не начать все делать на основе Нитрида Галлия, и даже процессоры, если он такой весь из себя успешный сын маминой подруги? Все, как обычно, не просто.

Производство самого материала — это сложный и дорогой процесс и главное — этот процесс не так хорошо отработан как для кремния. Вся индустрия построена только для работы с кремнием, а ее переход на GaN или любой другой материал будет просто необоснованно дорогим.

Но главная причина — в Нитриде гораздо больше дефектов в самой кристаллической структуре материала. На данный момент обычный кремний имеет в 100 раз меньше дефектов чем GaN. 

А вы ведь помните, что мы уже пользуемся процессорами, построенными на 5 нм техпроцессе, и когда мы говорим о таких маленьких размерах любой дефект играет очень большую роль. Дальнейшая работа с материалом сложнее! 

Но для производства устройств для области силовой электроники GaN почти идеальный кандидат.  Это и открывает широченную область его применения!

Применение

И тут мы пришли к началу. Кроме зарядок есть множество других областей: например, электромобили, где на самом деле ожидается самое активное применение Нитрида Галлия, так как он может обеспечить более быструю зарядку машины и меньший размер самих элементов управления!

Ну и конечно он нашел себя в солнечных панелях и базовых станциях для LTE и 5G где он уже активно применяется! 

Но есть и сумасшедшие проекты — чипы на основе нитрида галлия планирует использовать NASA в аппаратах, которые будут садиться на поверхность Венеры или Меркурия, где необходима работа оборудования при очень высоких температурах! 

Вывод

В общем, вы поняли: Нитрид Галлия — это точно будущее наших с вами адаптеров питания. И я очень надеюсь, что уже скоро мы забудем об огромных 100-ваттных зарядках. 

Мы уже можем иметь одну универсальную зарядку, которая подходит для всех портативных устройств, а возможно уже очень скоро она станет  размером с вилку для розетки! 

Видится будущее, где Нитрид Галлия — это основной материал для всего что связано с питанием и напряжениями до 900 Вольт, а кремний остается главным элементом во всех вычислительных частях наших девайсов, то есть в процессорах! 

Мы привыкли постоянно что-то заряжать: смартфон, ноутбук, часы и прочие гаджеты. Но правильно ли мы это делаем?

В сети полно противоречивой информации. Кто-то рекомендует ставить на зарядку смартфоны на ночь, кто-то заражает только до 80%, а кто-то свят-свят вообще заряжается по 5-10 процентов течение дня и хранит аккумуляторы в холодильнике… Один из важных вопросов — вредна ли быстрая зарядка?

Поэтому мы решили разобраться в этой проблеме и подготовили для вас самый подробный разбор про аккумуляторы. Кидаю спойлер: ответ вас не порадует… Мы обещали это видео, вы спрашивали про него в комментах.

Неприятные факты

Для затравочки — три неприятных факта:

Факт номер 1: Если вы сейчас заряжаете ваш смартфон — вы медленно убиваете его аккумулятор, но не торопитесь вынимать зарядку из розетки. Потому, что…

Факт номер 2: Если вы сейчас НЕ заряжаете смартфон, а просто пользуетесь им — вы всё равно медленно убиваете аккумулятор.

И моё любимое.

Факт номер 3: Даже если вы НЕ пользуетесь смартфоном, выключили его и положили в тумбочку — вы также медленно убиваете аккумулятор. 

Современные аккумуляторы не идеальны, каждый цикл заряда-разряда неизбежно приводит к необратимым изменениям внутри аккумулятора на физическом уровне, которые со временем неминуемо приведут к уменьшению емкости аккумулятора, и дальнейшему выходу из строя батарейки.

Например, аккумуляторы в современных смартфонах в среднем теряют 20% своей ёмкости спустя 500 полных циклов заряда/разряда, а это где-то 1,5-2 года работы.

Более того процесс деградации нелинейный, он ускоряется со временем. Поэтому последующие 20% своей емкости аккумулятор потеряет куда быстрее.

Но есть и хорошая новость! Мы можем влиять на скорость деградации аккумулятора и увеличить количество рабочих циклов с 500 до 1000 или даже больше. Но чтобы ответить на вопрос: как это сделать? Давайте для начала, разберемся как всё таки устроена эта волшебная баночка с энергией.

Устройство аккумулятора

Все аккумуляторы работают за счёт химической реакции обмена электронов между атомами: одно вещество отдает электрон другому веществу и во время обмена выделяется энергия. Например, такой же обмен происходит, при горении: углерод отдает свои электроны более «жадному» до них кислороду, поэтому выделяется энергия в виде тепла. То есть по большому счёту аккумулятор — это управляемый костёр, да еще и с функцией перезарядки. Вот это, я понимаю, инновация.

Поэтому, не удивительно, что аккумулятор устроен чуть сложнее, чем костёр. Только если это не аккумулятор Galaxy Note 7. Ладно, шуточки в сторону. Так как же устроен аккумулятор?

Во-первых, это не просто какая-то единая баночка с энергией. Аккумулятор состоит из двух так скажем “комнат”:

• анода — комнаты с отрицательным зарядом
• катода — комнаты с положительным зарядом

Эти комнаты не пустые. Внутри анода находится графит, а внутри катода — оксид кобальта. Но самое главное вещество внутри аккумулятора — ионы лития. Ион — это атом или молекула, которая имеет электрический заряд. Именно литий отдаёт свои электроны и питает энергией наши девайсы. Поэтому аккумуляторы и называются литий-ионными.

Но литий дарит нам энергию не потому, что он какой-то альтруист. Это такой скользкий типок, который всё время ищет себе местечко получше. Так когда аккумулятор полностью заряжен литий чилит внутри анода. Там для него подготовлены удобнейшие, в химическом смысле, шестиугольные ячейки атомов графита.

Казалось бы, радуйся жизни, сиди ты внутри анода, но нет… Ведь рядом есть катод наполненный, еще более комфортабельной кристаллической решеткой оксида кобальта. Куда литий уж очень сильно хочет встроиться. Но не может!

Потому что между анодом и катодом есть барьер — жидкий электролит. Электролит пропускает, через себя только положительно заряженные частицы.

Поэтому, чтобы проникнуть сквозь этот барьер, литию для начала нужно куда-то отдать электрон, тогда он сменит заряд на положительный и сможет пройти сквозь электролит.

А именно это нам и надо!

Поэтому, соединив минус и плюс на аккумуляторе в электрическую цепь, электроны начинают отделяться от лития и перемещаться от минуса к плюсу, по пути питая энергией все компоненты девайса. А литий, в свою очередь, проходит через электролит и встраивается в кристаллическую решетку оксида кобальта. Так происходят разрядка аккумулятора.

А заряжая аккумулятор, мы как бы обращаем весь процесс вспять.

Для этого мы прикладываем к плюсу и минусу батарейки электрический ток с напряжением выше, чем у аккумулятора. Электроны начинают течь обратно от катода и заполняют анод электронами. Что буквально вынуждает положительно заряженные ионы лития вернуться обратно.

Всё одновременно и просто, и гениально. Кстати, за изобретение литий-ионного аккумулятора три джентльмена — Джон Гуденаф, Стэнли Уиттенгем и Акира Ёсино в 2019 году были удостоены нобелевской премии.

Факторы, влияющие на износ

Но, как я и говорил, все эти электрохимические реакции не проходят бесследно. Что же там происходит на самом деле?

Во-первых, часть ионов лития, проходя через электролит, тот что посередине, банально там застревают. И образуют некую пленку, которая со временем утолщается. И в конечном итоге станет непроницаемой. Это называется SEI Layer — Solid Electrolyte Interphase.

Также от оксида кобальта постепенно отделяются атомы кислорода, что вызывает окисление. И, кстати, по этой же причине аккумуляторы вздуваются.

Но мы можем минимизировать негативные последствия, управляя двумя факторами. Если эти реакции будут происходить с правильной скоростью и при правильной температуре.

Температура

Начнем с температуры. Во-первых, аккумулятор не любит, когда слишком жарко или холодно.

В режиме эксплуатации еще не всё так плохо. Мы можем пользоваться аккумуляторами и на морозе, вплоть до -20 и в жару до +60. Недолго и только, если аккумулятор дополнительно защищен от экстремальных температур.

Условия эксплуатации:

• Идеально от +5°C до +30°C
• Допустимо* от -20°С до +60°C

* Но защищая элемент от экстремальных или даже просто пограничных (повышенных/пониженных) температур.

Но вот заряжать аккумулятор можно строго при плюсовых температурах, а лучше не ниже +10°C и не выше +45 градусов Цельсия.

Условия зарядки:

• Идеально ~ +20 ⁰C
• Строго от +5°C до +45°C

Почему так строго?

Если говорить про отрицательные температуры, то вы наверняка замечали, что на морозе аккумулятор на время теряет ёмкость или даже полностью отказывается работать.
Это происходит, потому, что при минусовых температурах электрохимические реакции замедляются. При обычной эксплуатации — в этом нет ничего страшного, это никак не портит аккумулятор.

Но во время зарядки при низкий температурах реакции не просто замедляются, а протекают иначе. Большая часть ионов лития вместо того, чтобы проникнуть в графитовый анод, металлизируется и осаждается на поверхности анода. То есть в прямом смысле происходит гальваническая реакция.

Поэтому, даже единичная зарядка аккумулятора на морозе, неизбежно приведет к снижению емкости на десятки процентов и к существенному повышению сопротивления. Более того, заряженный на морозе аккумулятор не является безопасным. Он может взорваться из-за вибрации или просто высокого уровня заряда.

Поэтому, ни в коем случае нельзя заряжать аккумулятор на морозе. А зайдя в теплое помещение, прежде чем ставить телефон на зарядку, подождите немного пока он согреется, хотя бы до +10°C.

А при температуре выше 45°C повышается риск возгорания, потому что ускоряется процесс отделения атомов кислорода от оксида кобальта, что приводит к окислению и вздутию. Иными словами, тоже ничего хорошего.

Поэтому не стоит класть телефон под прямые солнечные лучи, заряжать смартфон в жару выше 30°C и во время напряженных игровых сессий, если вы чувствуете что корпус смартфона нагревается.

Напряжение

Второй важный момент — это напряжение. Вы же помните, что помимо температуры, нам важно контролировать скорость протекания электрохимических реакций?

Так вот по этой причине, аккумуляторы не любят, когда они полностью заряжены и полностью разряжены.

Почему?

Во-первых, когда аккумулятор разряжен напряжение внутри него слишком низкое, если начать вливать в него слишком много энергии из-за перепада напряжения скрость протекания реакции будет слишком высокой и произойдет резкое повышение температуры, а дальше возможно возгорание и взрыв. Это можно сравнить с прорывом плотины.

Поэтому когда ваш телефон разряжен в ноль и вы подключаете его к зарядке, встроенный контроллер какое-то время ограничивает скорость зарядки, чтобы хоть как-то выравнивать напряжение. А уже после этого начинается быстрая зарядка.

Обратная ситуация происходит, когда при полном заряде, по мере наполнения аккумулятора энергией внутри него растет напряжение и соответственно сопротивление. А вместе сопротивлением растет температура. Поэтому, чтобы избежать перегрева по достижению 80% скорость зарядки всегда падает.

Кстати, точно также для аккумулятора вредна быстрая разрядка. То есть если вы играете в какую-то ресурсоемкое игру и телефон греется и разряжается от 100% до 0 за час-полтора. Знайте, такой аккумулятор долго не протянет.

Сравнение схем зарядки

Окей, теперь мы всё знаем про процессы внутри аккумулятора. И можем с вами понять, как именно нужно заряжать смартфон?

1. От 0 до 100%
2. От 20 до 80%
3. Или по чуть-чуть в течение дня.

От 0 до 100

Я думаю, вы уже догадались, что зарядка от от 0 до 100% — не самый лучший вариант. Когда аккумулятор полностью наполнен — это его самое нестабильное состояние. ускоряется износ аккумулятора и повышается риск перегрева. Все это укорачивает жизненный цикл нашей батарейки. Именно поэтому электроавтомобили всегда заряжается только до 80%. Это продлевает срок службы на годы вперед.

Поэтому наша любимая схема эксплуатации смартфонов: разрядил в ноль и заряжаю всю ночь — не самая оптимальная. Более того, когда мы оставляем заряжаться смартфон на ночь, аккумулятор может дополнительно изнашиваться из-за микроциклов зарядки. Это когда ваш смартфон зарядился до 100%, зарядка остановилась. Он немного полежал, заряд упал до 99%, и зарядка снова началась.

Именно поэтому Apple, внедрила в свои устройства так называемую «оптимизированную зарядку». Девайс анализирует, сколько времени обычно он находится на зарядке (например, всю ночь до утра) и прерывает процесс на 80%, чтобы оставшуюся часть времени зарядить аккумулятор до 100% очень медленно. Таким образом исключаются даже те самые мизерные циклы заряда-разряда, которые имеют место в уже заряженном девайсе, остающемся «на шнурке».

Также опасен глубокий разряд. Дело в том, что когда батарея просто лежит она всё равно потихоньку теряет заряд. Поэтому, если устройство выключилось на уровне индикации 0%-1% и длительное время пролежало в таком состоянии без зарядки, аккумулятор может уйти в спячку, из которой не всегда получается вывести батарею.

Поэтому, если вам вас есть запасной телефон или просто много аккумуляторов, перед длительным хранением рекомендуется зарядить их на 30%-50%, и хранить при температуре не выше 25 ⁰C, так заряд будет утекать медленнее всего.

От 20 до 80

Идем дальше схема зарядки от 20 до 80% выглядит куда более привлекательной чем от 0 до 100. Такой режим эксплуатации куда меньше изнашивает аккумулятор и он всем хорош.

Поэтому по возможности заражайте только до 80%, если вам, конечно, будет хватать заряда на день. А следить за зарядкой вам помогут приложения типа Accu​Battery, но только на Android. Впрочем и этот подход неидеален.

По чуть-чуть

Но если вы хотите установить мировой рекорд по сроку службы аккумулятор. Лучше всего заряжать батарею заряженной всегда на 50-70%, всё время по чуть чуть заряжая телефон в течение дня. Это продлит срок службы аккумулятора во много раз.

В целом для такой схемы хорошо подходят док-станции с беспроводной зарядкой. В целом удобно, поставил смартфон на подставку и он по чуть-чуть заражается. Но стоит помнить что эффективность современных Qi только 60%, остальная энергия уходит в тепло. Поэтому пользуйтесь такой схемой только если в помещении не жарко и вам наплевать на перерасход энергии. Но еще одна проблема зключается в том, что большинство производителей пытаются заряжать смартфоны быстро.

Быстрая зарядка

Окей. Ну а что с быстрой зарядкой? Она  вредна?

К сожалению, да. Вредна. И знаем мы об этом благодаря искусственному интеллекту.

В прошлом году в журнале Nature было опубликовано масштабное исследование, которое провели ученые из Стэнфорда, MIT и исследовательского института Toyota.

Их целью было: найти метод зарядки аккумулятора электромобиля за 10 минут, который бы максимально продлевал срок службы аккумулятора. Чтобы решить задачу ученые создали искусственный интеллект, который проанализировал 224 существующих протокола быстрой зарядки. И в качестве ответа они получили, что все существующие протоколы совершенно не правильные.

Большинство профилей, использует один и тот же постоянный ток до 70–80% степени заряда. И только потом следует пошаговое снижение напряжения до момента полной зарядки. А это нехорошо.

Но есть и хорошая новость. В рамках исследования им быстро удалось создать идеальный профиль, который позволяет зарядить аккумулятор до 80% за 10 минут и продлевает срок жизни аккумулятора с 600-800 циклов до 1200. Профиль состоит из 6 шагов и выглядит вот так, можете изучить:

• ШАГ 1-3. Независимые значения в диапазоне C* в диапазоне 4–8C.
• ШАГ 4. Настроен так, чтобы время зарядки составляло 10 минут для достижения 80% уровня заряда.
• ШАГ 5. 1C постоянным током до 90% заряда.
• ШАГ 6. Поддержание постоянного напряжения на уровне 3,6 В.

*1С — скорость зарядки, при которой аккумулятор полностью заряжается за 1 час. К примеру, 1С для батареи емкостью 1 Ач = 1 А.

Остаётся только дождаться, когда производители внедрят эти профили в смартфоны и зарядные устройства. И тогда пятилетние Android на Авито взлетят в цене. А кто хочет сам изучить исследование, ссылка на статью и исходный код ниже:

Исходный код и алгоритмы обработки данных:

1. https://github.com/chueh-ermon/battery-fast-charging-optimization
2. https://github.com/chueh-ermon/BMS-autoanalysis
3. https://github.com/chueh-ermon/automate-Arbin-schedule-file-creation

На выставке MWC Shaghai 2021 компания OPPO провела конференцию, в ходе которой показала свою версию абсолютно беспроводной зарядки, а также разработки в 5G и искусственном интеллекте.

Компания показала различные образцы своих зарядных устройств, в том числе зарядное устройство мощностью 125 Вт, которое может пополнить аккумулятор смартфона ёмкостью 4000 мА*ч до 100% всего за 20 минут. Также компания показала AirVOOC мощностью 65 Вт, которые заряжают батарею смартфона всего за полчаса.

https://twitter.com/oppo/status/1364107473452339205

Но самый интересный анонс — Wireless Air Charging. Это станция, похожая на ту, что ранее показала Xiaomi. Благодаря необычной тумбочке можно заряжать устройства без проводов и без контакта. Правда деталей относительно того, как это реализовано и на каком расстоянии смартфон заряжается представлено не было. Интересно, что в качестве устройства используется раздвижной слайдер OPPO X 2021.