Быстрая зарядка: Как инженеры ОБМАНУЛИ законы физики

Мы привыкли, что смартфон заряжается буквально за 20 минут. Подключил, сбегал за кофе и снова 100%. Но совсем недавно айфоны заряжались по четыре, а то и 5 часов.

И батарея у них была значительно меньше, чем у современных монстров. Все эти годы мы следили за количеством мегапикселей, разрешением экрана и размером транзисторов. Но мало кто знает, какую революцию совершила вот эта маленькая простая неприглядная штуковина.

Это странно, потому что уменьшение нанометра в процессоре обычный пользователь даже не заметит. А вот без революции, которая скрывается в этих кубиках, современные смартфоны и техника были бы просто невозможны. Сегодня я попробую восстановить справедливость [музыка] и расскажу, какая борьба корпорации развернулась вокруг простой зарядки, как инженерам удалось хакнуть физику и сократить время заряда с 5 часов до 20 минут.

Какую роль в этом сыграл T-C? Почему до сих пор существуют медленные зарядки, если есть быстрые? Чем отличается Quick Charge от Power Delivery Thunderball?

Зачем вообще столько протоколов и какие гениальные технологии скрываются внутри этого маленького неприметного устройства? Давайте разбираться. Первые зарядные устройства массово начали использовать только в начале девяностых.

До этого вся электроника работала либо от розетки, либо на самых обычных батарейках. К примеру, легендарный полороид семьдесят седьмого года, который сразу печатал фотографии, работал от двух батареек, и этого хватало на 40 снимков. Даже прожорливые радиоуправляемые машинки зачастую работали на батарейках.

Популярные в США радиошек жрали целых 10 банок за раз. Восемь в машинку и два в пульт управления. Хватало этого на целых 20 минут безудержного веселья.

Страшно подумать, какие горы отработанных батареек мы произвели за те пару десятков лет. К счастью, человечество одумалось и перешло на перезаряжаемые источники питания. Сказала бы вам, эта странная девочка в моей рубашке, но мы-то с вами серьёзные люди, так что её можете уносить.

>> На самом деле на экологию всем было плевать, что тогда, что сейчас. Корпорация Добра, которая продаёт телефоны без зарядки во имя экологии, при этом спокойно делает телефоны без съёмного аккумулятора и всячески усложняет их ремонт. Ну а к ним мы ещё вернёмся.

Мы бы до сих пор сейчас бегали с батарейками, если бы не одна маленькая деталь. Электронику и батарейки производили разные компании. Как вы помните, плееру двух банок хватало на 10 часов, а значит, пару раз в неделю вам нужно было их менять и покупать новые.

И это только для плеера. К дхтысячным только в США продажи батареек достигали 3 млрд в год. Это огромный рынок.

И будь он в руках производителей техники, мы бы ещё не скоро увидели заряжаемое устройства. У меня на столе стоит планшет от Microsoft, и у него до сих пор пропритарный разъём зарядки вместо универсального Type-C. Компании до последнего держатся за устаревшие технологии, если они приносят прибыль.

И плевать им на удобство пользователей или экологичность. К счастью, с батарейками нам повезло. Это довольно сложная химическая отрасль, которая сильно зарегулирована законами.

Лезть туда компании электроники не хотели, [музыка] но в двухтысячных батарейки приносили миллиарды. И как только появились дешёвые аккумуляторы, техногиганты начинают борьбу за этот рынок. Маркетологи поняли, что перезаряжаемое устройство - это удобно, современно и в долгосрочной перспективе экономит для пользователя много денег, а значит, такое устройство можно продавать значительно дороже.

При этом себестоимость аккумулятора могла быть даже ниже, чем хороший комплект батареек. Это позволило техногигантам отобрать часть дохода у производителей батареек. Как вы понимаете, будь оба производства в одних руках, этого бы не случилось.

Практически вся техника сейчас работает на аккумуляторах. А вот с проприетарными разъёмами мы не можем распрощаться до сих пор. Технику и аксессуары производят одни и те же люди, и они до последнего будут держаться за свои доходы.

Но действительно, массовое применение аккумуляторов началось с появлением первых мобильных телефонов. Дело в том, что батареи этих лет поначалу уступали в энергоэффективности одноразовым батарейкам, а тот же кассетный плеер требовал много энергии для работы моторов. Чтобы аккумуляторы могли хоть как-то конкурировать с батарейками, их нужно было делать большими.

Пойти на это не могли, ведь все хотели сделать устройство легче и компактнее. Да-да, мериться толщиной рамок экрана или смартфона придумали не мы. [музыка] Это изобрели японские дядьки ещё в семидесятые.

>> Вас самирает. >> А вот мобильные телефоны в сравнении с проч электроникой тогда потребляли совсем немного. Кто застал те времена, помнит, что мобильник без подзарядки мог работать больше недели.

А большинство функций было доступно даже без зарядки. Естественно, ни о какой быстрой зарядке люди ещё не думали. Батареи были маленькие, заряжались быстро, и хватало этого на неделе.

Но тогда была иная проблема. Разъёмы. Много разъёмов.

На все случаи жизни была своя уникальная дырка в корпусе. Это изрядно достало не только пользователей, но и производителей, которым приходилось штамповать десятки разных [музыка] разъёмов. Сложность сборки росла, а прибыль компании падла.

Они это очень не любят. Поэтому шесть техногигантов решили объединить усилия и положить этому конец. Они профинансировали создание некоммерческой организации, которое поручили разработать универсальный способ подключения.

В результате в 1996 году мир увидел [музыка] стандарт Universal Serial Bus. более известны вам как USB. У меня в руках универсальная зарядка.

Я могу подключить к ней телефон, наушники и даже ноутбук. Но мало кто знает, что вся магия современных зарядок кроется не в этом кубике, а в протоколе USB. Раньше не то, что универсальных зарядок, даже универсальных проводов не было.

Для передачи данных был один кабель, а для зарядки другой. Именно стандарт USB позволил и заряжать, и передавать данные, используя один и тот же провод. У этого разъёма есть отдельные контакты, которые подают 5 В для питания устройств и отдельные для передачи информации.

Это могут быть как сигналы, к примеру, от мышки, так и цифровые данные с вашего телефона. Удивительно, но изначально никто и не думал использовать USB для зарядки гаджетов. Его создали, чтобы подключать к компьютеру всякую периферию вроде мышек и клавиатур.

Уже потом людям в голову пришла светлая мысль: если мы вот этим проводом питаем разные устройства, то почему бы этим же проводом не заряжать наши гаджеты? Идея отличная, но было две проблемы. Во-первых, на рынке тогда царило полное безумие.

Каждый бренд телефонов считал за честь иметь свой фирменный разъём. Часто даже на устройствах одного бренда можно было увидеть разные штекеры. И всех это устраивало, ведь компании зарабатывали на продаже фирменных аксессуаров порой даже больше, чем на продажу самих телефонов.

Во-вторых, разъём USB даже для телефонов тех лет был большим и смотрелся не суразно. Технология USB была бесплатной. Любой мог использовать их в своих устройствах, не платя за лицензию ни копейки.

И, несмотря на это, далеко не все спешили на него переходить. Но вы уже поняли, почему. В 2005 году разработали специальный уменьшенный разъём micro-USB, и только тогда дело сдвинулось.

В 2009 году Европейская комиссия подписала меморандум с производителями, включая Apple, в котором все они обязались перейти на универсальный стандарт [музыка] micro-USB. Я не просто так упомянула тут Apple. В соглашении была лазейка.

Устройство могло не иметь micro-USB, но если в комплекте был переходник, то вас допускали к продаже на европейских рынках. Таким образом, несмотря на соглашение, Apple продолжали использовать свой разъём Lightй ещё 14 лет. Поэтому, когда вам говорят, что зарядки нет в комплекте ради экологии, [музыка] вспомните, что эти люди 14 лет клали бесполезные адаптеры в набор, лишь бы продавать вам фирменные аксессуары.

Но была проблема и посерьёзнее. Это зарядка на 5 Вт. Примерно такая же была у первого Айфона.

Сейчас некоторые телефоны заряжаются даже от 120 Вт. Обычный порт USB на компьютере, а правильно он называется USBA, имеет ограничение по мощности. Как я говорила, USB изначально делали для питания компьютерной периферии, и никто не рассчитывал, что в будущем мы будем с их помощью заряжать мощные смартфоны.

Стандарт USB 3 выдерживает 4,5 Вттат, а ранние версии и вовсе были рассчитаны только на 2 сно. Это [музыка] значит, что если подать через них большую мощность, они попросту сгорят. Но мощность зарядки первого Айфона уже была выше пределов порта.

Я молчу про современные смартфоны, которые жрут намного больше. Нужно было что-то делать. Решение этой проблемы положило начало технологической гонки за скорость зарядки наших с вами гаджетов.

А сделали следующее. научили смартфон видеть, к чему его подключили. Если это, к примеру, USB на компьютере, то смартфон брал меньший ток, который мог выдержать разъём.

Естественно, заряжался при этом медленнее, но когда его подключали к блоку питания, то он это видел и поднимал мощность зарядки. И вот так, как вынужденная мера, у нас появилась быстрая и медленная зарядка. Но что значит телефон видит, к чему его подключили?

Как он это делает? >> А >> помните схему разъёма USB? По бокам находятся контакты питания, а в центре два информационных контакта: D+ и Dus.

Подключая USB-кабель к компьютеру, по линиям D+ и D передаётся сигнал, указывающий на возможность обмена данными. Если подключить осцилограф к контактам D+ и D, то мы увидим вот такой импульсный сигнал. Это значит, что устройство подключено к компьютеру и происходит обмен данными.

В зарядных устройствах контакты D+ и Dмкнуты, и такие порты получили название DCP. Благодаря замкнутым контактам телефон и понимал, что его подключили к зарядке и поднимал потребляемую мощность. Чтобы все эти сигналы и намёки от порта распознавать, смартфоны начали устанавливать дополнительные чипы.

Они также измеряют напряжение, температуру батареи и следят, чтобы с ней ничего не случилось. И вот с появлением в смартфонах таких умных контроллеров заряда начинается настоящая гонка стандартов и протоколов. Эти сигнальные провода можно не только закоротить, по ним можно передавать и принимать информацию, что открывает огромные просторы для творчество.

Ушлые производители сразу смекнули, как это можно использовать в своих корыстных целях. Они начали встраивать в кабеле дополнительные чипы, которые сигнализировали смартфону: "Фирменный у вас аксессуар или нет". Ну а дальше телефон мог ограничить скорость зарядки, либо вовсе отказывался заряжаться от кабеля иной фирмы.

Производители [музыка] выполняли условия того самого соглашения и использовали универсальные разъёмы. Но пользователи всё равно были вынуждены покупать фирменные аксессуары, ведь с другими техника отказывалась работать. И этим занимались не только Apple, но и некоторые другие производители, например, Samsung, HTC и Sony.

Но погоня корпорации за наживой приносила не только вред. Производительность смартфонов росла, аккумуляторы увеличивались, а вместе с ними росло и время зарядки. Компании начинают соревноваться, чей смартфон заряжается быстрее.

Самый очевидный способ ускорить зарядку - это увеличить ток. Если по-простому, то электричество - это движение электронов в проводе. Так вот, чем больше электронов проходит через провод за единицу времени, тем выше ток.

Его количество измеряют амперами и обозначают на вашей зарядке буквой А. >> Буква А. А.

>> Но чем больше мы увеличиваем ток, тем больше провод начинает греться и даже может загореться. К тому же вместе с нагревом впустую рассеивается и часть энергии, что снижает эффективность такой зарядки. Чтобы решить эту проблему, провода нужно было делать толще, а значит, более громозкими и дорогими.

Опять менять производственные линии стандарты никому не хотелось, поэтому инженеры пошли иным путём и увеличили не количество электронов, а количество энергии, которое они передавали. Представим электроны в виде всё тех же шариков. Чем сильнее мы его толкнём, тем больше энергии он передаст.

Что-то подобное происходит и с электричеством. [музыка] Эту силу называют напряжением и измеряют в вольтах. Их, кстати, тоже указывают на блоках питания.

Первые смартфоны для зарядки использовали 5 В иток в 2 А. Это даёт 10 Вт мощности. А если мы возьмём 9 В, но уменьшим ток, например, до полутора Апер, то получим мощность уже в 13,5 [музыка] Вт.

В итоге ток уменьшили, а энергии, наоборот, передали больше. И угадайте, кто первым до этого додумался? Всё та же некоммерческая организация USB Promoter Group.

В 2012 году [музыка] они анонсируют технологию Power Delivery, новый протокол универсальной, быстрой и безопасной зарядки, который, как и USB, будет доступен по бесплатной лицензии. После этого анонса в одной крупной компании назревают гениальный план. Там понимают, что на внедрение Power Delivy понадобится немало времени, и решают бросить все усилия, чтобы опередить конкурента.

Руководство компании понимало, если они выпустят свою технологию раньше, то производители смартфонов не смогут устоять перед такой инновацией и будут покупать их платную лицензию, чтобы как можно быстрее выпустить свои флагманы с супербыстрой зарядкой. И у них это получилось. В 2014 году, на год раньше, чем Power Delivery, на рынке появляется технология Quickcha Charge, которую разработала компания Qualcom.

Они действительно смогли захватить рынок, и конкурентам, несмотря на бесплатную лицензию, понадобилось 5 лет, чтобы их догнать. Если вы мало знакомы с компанией Qualcom, то такой шаг может показаться безумной авантюрой. Но это легендарная компания, основанная реально чокнутыми учёными и фанатами технологий.

Они изначально шли против всех. делали то, что другие считали невозможным, навязывали свои стандарты гигантом индустрии и заработали миллионы, не производя ни одного устройства. Так что это было вполне в их стиле.

Если хотите, чтобы я рассказала про Qualcom, дайте знать в комментариях. На момент начала работы над Quick Charge их революционный процессор Snapdragon уже отхватил около 40% рынка и наделал немало шума. Но помимо этого компания выпускала и контроллеры для зарядки.

А вот с ними всё было не так радужно. Приходилось делить рынок с такими мастодонтами, как Texas Instruments, STM Microelectronics и БДC. Понимая, что новая технология принесёт прибыль не только с продажи лицензии, но ещё и позволит потеснить конкурентов на рынке контроллеров, Qualcom начинает действовать.

В 2013 они выпускают Quick Charge первой версии с поддержкой мощности до 10 Вт. Особого восторга это не вызвало, потому как обычные адаптеры и так выдавали 7,5 Вт. Нужно было больше.

Qualcom делают доработки и в следующем году показывают Quickча Charge второй версии и 18 Вттами мощности. Вот это уже был прорыв. Зарядка стала на 75% быстрее, чем раньше.

Правда, если сравнивать с питаниеми USB порта, где телефон снижал мощность, как вы помните. В сравнении с обычной зарядкой от адаптера прирост скорости был чуть скромнее, но всё равно Quick Charge был заметно быстрее. Работает это тоже довольно просто.

По сигнальным контактам телефон, как и раньше, общается с зарядкой и договаривается о режиме работы. Просто сейчас тем для общения между ними стало чуть больше. Раньше было как: если подключились к USB с компа, то вот тебе 5 В итог в полампера.

Это давало 2,5 Втта. А если подключиться к сетевому адаптеру, то получим те же 5 В, но ток уже в 1,5 А. Мощность вырастет до 7,5 Вт.

Изменялся только ток. У Quick Charge было наоборот. Протокол управлял вольтажом, а вот сколько брать тока решал контроллер заряда в телефоне.

Он измерял температуру батареи и следил за иными показателями, на основе которых делал умозаключение. Quick Charge 2014 года имел пятивольтовый режим для питания от USB и два усиленных на 9,12 В, но уже это позволяло выжимать из зарядок до 18 Вт мощности. Power Delivy на этом фоне был просто супербоссом.

У него была куча режимов. Вы могли управлять как напряжением, так и током. Можно было даже выбирать направление этого тока.

То есть, подключая телефон к ноутбуку, можно было решать, кто кого тут будет заряжать. Но самое главное - это максимальная мощность. Даже в первой версии она доходила до 100 Вт.

Смотря на это, кажется, что Power Delivery должен был просто растоптать Quckчар, но в его крутости была и его проблема. В первую очередь это была универсальная технология для питания разных устройств с кучей функций, которые вызывали много проблем. Даже для сравнительно простого Quickчарge с тремя режимами просто закоротить сигнальные контакты уже было недостаточно.

[музыка] Пришлось разработать систему общения зарядки с устройством. Что-то вроде азбуки Морзы. По контактам D+ и D-ну начали передавать разные сигналы.

К примеру, для включения пятивольтового режима нужно было по проводу D+ пустить напряжение в 6 В, а провод D-ну подключить к земле, и каждый режим имел свою комбинацию сигналов. Для Power Delivery всё было в разы сложнее, и её внедрение требовало значительно больше усилий. К тому же тогда в ходу ещё был разъём micro-USB, который не позволяла раскрыть весь потенциал технологии.

[музыка] Впоследствии T-C сыграл ключевую роль в распространении Power Delivery. Если в micro-USB два контакта питания, то в USB TF-C их восемь. Как нетрудно догадаться, чем больше контактов, тем больший ток может выдержать такой разъём.

А это как раз то, чего и не хватало супермощным зарядкам. В протоколе Power Delivery даже предусмотрены специальные чипы. Сейчас они есть уже во многих кабелях T-C и хранят [музыка] информацию о сечении провода и максимально допустимом токе.

Quick Charge - это была попытка максимально быстро выпустить быструю зарядку, и она сработала. У Power Delivery совершенно иные задачи и философия. Это открытая, доступная всем и бесплатная технология, которая разрабатывалась как стандарт в [музыка] индустрии на долгие годы вперёд.

У них не было цели быстро заработать. Его вообще делала некоммерческая организация, поэтому ребята не сильно торопились. И реальная популярность к Power Delivery пришла только в 2017 году, когда Apple выпустили iPhone 8 с поддержкой этой технологии.

Последние версии Quick Charge Power Delivery стали настолько похожими, что различий между ними почти нет. Delivy реально лидируют разве что по току и поддерживает 240 Вт. Но детище Qualcom постепенно сдаёт позиции, поэтому Power Delivery, как и задумывалось, постепенно становится универсальным и общепринятым кросс-платформенным стандартом.

Многие причисляют к технологиям зарядки и Thunderbolt, что не совсем верно. Изначально это интерфейс для высокоскоростной передачи данных. Да, с версией Thunderball 3 они действительно поддерживают быструю зарядку, но работает она всё по тому же протоколу Power Delivery.

И это всё равно интересная технология передачи данных, наделавшая немало шума. Впрочем, >> это уже совсем другая история. >> В итоге мы пришли к тому, что теперь можем передавать данные, заряжать своё устройство с большей скоростью.

И вся эта магия скрыта в двух вот таких простых вещах, о которых мало кто знает. Если вам понравился такой формат историй, обязательно напиши, чтобы я знала, стоит ли продолжать. Поддержать меня можно, поставив лайк, поделившись видео с друзьями, а также подписавшись на Бусти или просто посмотрев другие мои видео, например, вот эти.

M.