В этой статье:
— Вступление
— Из чего сделан аккумулятор S Pen
— Как устроен суперконденсатор внутри S Pen
Мы уже рассказывали о том, как работает перо S Pen в смартфонах Samsung Galaxy Note и Galaxy S21 Ultra. Это действительно интересная технология, которая не использует сенсорный экран, а передает координаты ручки при помощи электромагнитного излучения, прямо как Wi-Fi или 5G.
Но в упомянутой статье был упущен один очень интересный момент, на который обратил внимание наш читатель и который я хотел бы полностью раскрыть в этой статье.
Как многие знают, начиная с Galaxy Note 9 в S Pen появилась поддержка Bluetooth. И если для рисования по экрану перу не нужен никакой аккумулятор (так как энергию излучают антенны смартфона), то для питания Bluetooth-передатчика этого оказалось недостаточно.
И проблема заключается в том, что использовать обычный литий-ионный аккумулятор — не вариант. Даже если аккумуляторы таких крошечных размеров и существуют, у них есть серьезные недостатки, которые просто не совместимы с самой идеей S Pen.
Прежде всего, Li-ion аккумулятор (как тот, что используется в любом смартфоне) не очень любит высокое напряжение и температуру. Когда мы заряжаем смартфон до 100%, напряжение на его аккумуляторе достигает почти критического значения (4.2-4.4 вольта).
Находиться долго в таком состоянии вредно для батарейки, так как это ускоряет нежелательные химические реакции (деградацию аккумулятора). А ведь S Pen большую часть времени находится постоянно «на зарядке» внутри смартфона.
Кроме того, ручка должна быть всегда готова к использованию. Когда вы вставляете S Pen в смартфон, перо должно полностью зарядиться не за часы и минуты, а за считанные секунды. Обычный аккумулятор даже малой емкости не способен заряжаться так быстро.
Но что еще важнее, пользователь может доставать перо десятки раз в день и, соответственно, за день может проходить 10-20 циклов заряда-разряда аккумулятора. А как мы знаем, обычный срок жизни батареек — 800-1000 циклов. То есть, при очень активном использовании батарейка S Pen могла бы заметно потерять в емкости уже через пару месяцев.
Некоторые производители соглашаются на все эти недостатки и используют большие аккумуляторы, увеличивая и размер ручек. Сравните, к примеру, как выглядит Apple Pencil с обычным Li-ion аккумулятором в сравнении с крохотным Samsung S Pen (слева):
Думаю, вы уже догадались, что никакого аккумулятора внутри S Pen нет. Вместо него Samsung решила использовать статическое электричество! Что же это такое и как оно работает?
Из чего сделан «аккумулятор» S Pen?
Для начала вспомним, что такое статическое электричество. Для этого возьмем обычную ручку и хорошенько потрем ее об голову в течение нескольких секунд. Теперь ручка в прямом смысле слова зарядилась электричеством.
Если поднести ее к металлическому предмету, по нему с характерным треском пройдет ток (искра). Если же поднести ее к листку бумаги, ручка притянет его к себе.
Как это происходит? Просто ручка при трении оторвала множество электронов от атомов волос и на ее поверхности образовался переизбыток этих электронов, то есть, произошла электризация ручки, в результате которой она получила отрицательный заряд. Это и есть пример статического электричества.
Мы можем использовать этот же эффект и в технике, для чего достаточно взять две металлические пластинки и к одной из них подключить «плюс» батарейки, а к другой — «минус»:
До того, как мы подключили батарейку, количество протонов («плюсов») и электронов («минусов») в атомах металла пластинок было одинаковым, а потому они не имели никакого заряда.
Но теперь батарейка силой (электрическим напряжением) «затолкала» электроны на одну из пластинок, а из другой — «вытолкнула», ведь у батарейки на одном полюсе — переизбыток электронов и они выталкиваются оттуда, а на другом — недостаток и они притягиваются сюда.
В результате получилось так, что одна пластинка стала отрицательно заряженной (как ручка в нашем эксперименте), а другая — положительно заряженной (как волосы):
Это и есть простой элемент питания, эдакая батарейка. Если теперь к этим пластинкам подключить лампочку, она загорится на короткое время, пока все лишние электроны из одной пластинки не переползут через лампочку на вторую пластинку:
Можно ли использовать две маленькие металлические пластинки внутри S Pen?
С одной стороны, такая «батарейка» действительно может быть любого размера и способна заряжаться мгновенно. Но, к сожалению, количество электронов, которое она может накопить, слишком маленькое и этого заряда не хватит для работы Bluetooth-модуля. И тем не менее, именно этот принцип используется в «батарейке» S Pen.
Когда мы брали две пластинки, важнейшим условием было то, чтобы они не соприкасались друг с другом, поэтому между пластинками было пространство. Но тут есть одна важная особенность. Чем ближе эти пластинки будут находиться друг к другу, тем сильнее между ними будет действовать электрическое поле (сила, которая притягивает «минусы» и «плюсы» или положительные и отрицательные заряды).
Получается, если бы мы максимально приблизили пластинки, то могли бы «затолкнуть» туда больше электронов. Поэтому обычно между пластинками помещают изоляцию (кусочек бумаги или пленки) и прижимают их друг к другу, чтобы сила электрического поля удерживала больше заряда.
Но и этого недостаточно. Нужно сделать так, чтобы расстояние между пластинками было в тысячи, а лучше в миллионы раз меньше одного миллиметра!
Кроме того, мы могли бы увеличить емкость нашей супер-батарейки, если бы увеличили площадь пластинок. Ведь, чем больше пластинка, тем больше туда поместится электронов. Но мы не можем увеличивать размер, так как перо очень компактное. Что же делать?
На помощь приходит суперконденсатор, он же — ионистор!
Если мы разломаем S Pen и Apple Pencil, то увидим совершенно разную картину внутри. Вот как выглядит обычный аккумулятор внутри Apple Pencil:
Батарея (цилиндр черного цвета по центру с надписью Li-ion Battery) занимает основное пространство внутри большой «ручки». А вот как выглядит источник питания внутри крохотного S Pen (он выделен оранжевым цветом, а красным показан Bluetooth-радиопередатчик):
Что же такое этот суперконденсатор? И как «батарейка» столь крошечного размера может уместить столько заряда, чтобы питать Bluetooth-модуль пера в течение 30 минут, заряжаясь при этом от нуля до 100% за секунды?
Повторюсь, в S Pen используется статическое электричество, то есть, внутри такой «батарейки» не происходят химические реакции, как в обычном аккумуляторе. Это значит, что S Pen без проблем выдерживает сотни тысяч и даже миллионы циклов заряда-разряда.
Именно химические реакции внутри литий-ионного аккумулятора и ограничивают срок его службы. Каждая зарядка/разрядка смартфона вызывает окисление электролита, внутри на аноде и катоде батарейки образуются пленки из атомов лития (SEI) и его количество сокращается. А вот в суперконденсаторе ничего подобного нет, так как там нет химических реакций.
Также мы можем без проблем сколь угодно долго держать такой «аккумулятор» полностью заряженным или разряжать его до реального нуля. Напомню, литий-ионные аккумуляторы боятся глубокой разрядки (это не 0% заряда на экране смартфона, а гораздо ниже).
Поэтому аккумулятор в Apple Pencil может легко испортиться, если разрядить его до нуля, а затем не пользоваться в течение нескольких месяцев. В этом случае может произойти глубокий разряд и останется только выбросить устройство. А вот «батарейка» в S Pen может пролежать несколько лет и потом снова работать, как новенькая.
Кроме этого, работа суперконденсатора не зависит от окружающей температуры и он не разряжается быстрее на морозе.
Как устроен суперконденсатор внутри S Pen
Прежде всего, как вы помните, нам нужно сделать так, чтобы расстояние между пластинками было минимальным. И в «батарейке» S Pen это действительно минимально возможное (даже в теории) расстояние. Оно равняется одной молекуле.
Но как возможно так сильно прижать две пластинки, чтобы между ними была изоляция, толщиной в одну молекулу? На самом деле, никак! Да и изоляции между пластинками как таковой нет.
Вместо этого между двумя пластинками размещают электролит — вещество, в котором находится множество положительно и отрицательно заряженных ионов (молекул с электрическим зарядом). Например, солевой раствор:
Кроме того, сами пластинки нужно сделать либо из пористого материала, либо покрыть их пористым материалом (например, активированным углем). Причина этому очень простая — площадь поверхности такого материала в 100 тысяч раз больше площади гладкой пластины. Соответственно, мы очень сильно увеличиваем площадь пластин, сохраняя при этом маленький размер суперконденсатора:
Если бы мы сравнили электроны с водой, то металлическая пластинка из рассмотренного вначале примера — это кусочек ткани, а пористая пластинка суперконденсатора — это губка, которая, естественно, способна впитать гораздо больше воды.
А теперь давайте внимательно посмотрим, что произойдет, когда мы захотим зарядить такую супер-батарейку:
Электроны из «зарядного устройства» мгновенно начнут заполнять всю поверхность первой пластинки. И когда их станет слишком много, они начнут отталкиваться друг от друга и пытаться притянуть к себе положительный заряд.
Но вместо того, чтобы использовать вторую пластинку с положительно заряженными частицами, мы используем электролит!
Так как между пластинками находится вещество, в котором уже много как положительных, так и отрицательных зарядов, все положительно заряженные ионы внутри электролита вплотную приближаются к первой пластинке:
Они-то и формируют якобы вторую пластинку с противоположным зарядом! Причем между отрицательно заряженной пластинкой и слоем положительно заряженных ионов находится тончайший «изолятор» — молекула вещества электролита (например, воды, если в качестве электролита мы использовали соль, растворенную в воде).
Ровно то же происходит и на второй пластинке, только она зарядилась положительным зарядом и притянула к себе все отрицательно заряженные ионы из электролита. Фактически, в одном суперконденсаторе находятся как бы два конденсатора (по две пластинки с противоположными зарядами), соединенные последовательно:
Сравните этот большой заряд суперконденсатора с ничтожным зарядом двух обыкновенных пластинок, разделенных изоляцией:
Именно такое устройство и используется в S Pen в качестве «аккумулятора». Остался лишь один вопрос — как же заряжается этот суперконденсатор?
Конечно же, по беспроводной зарядке! Внутри смартфона, в том месте, куда нужно вставлять перо, спрятана маленькая беспроводная зарядка в виде катушки, прикрытой наклейкой:
Когда смартфон подает ток на эту катушку, вокруг нее появляется магнитное поле. Осталось лишь поместить в это магнитное поле катушку S Pen и по ней потечет ток. Это явление в природе называется электромагнитной индукцией.
Давайте я еще раз покажу внутренности S Pen, чтобы вы обратили внимание на ту самую катушку внутри пера:
Конечно, основное назначение этой катушки — принимать и отправлять «сигнал» во время рисования пером по экрану. Но когда перо прячется в смартфон, катушка используется в качестве беспроводной зарядки.
Вот такие удивительные технологии спрятаны внутри такого, казалось бы, простого устройства, как перо S Pen!
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
