Как работает зарядка аккумулятора на телефоне

Беспроводная зарядка смартфонов. Ответы на самые интересные вопросы

Рассказывать о том, что такое беспроводная зарядка — идея далеко не самая оригинальная. Если до 2017 года об этом писали многие техно-сайты, то после выхода первых смартфонов от Apple с беспроводной зарядкой (iPhone 8 и iPhone X), такие статьи появились буквально везде.

Поэтому у нас возникла такая дилемма. С одной стороны, никому не нужна очередная перепечатка на тему беспроводных зарядок. Но с другой — мы-то ничего об этом не писали.

Ну не писали и не нужно! — сказал бы человек, не читавший нашу статью о том, как работает батарея смартфона и как правильно ее заряжать. Но ведь если та статья (на столь избитую тему) получилась интересной, может и эта получится неплохой? Что ж, давайте это проверим!

Вначале мы расскажем об общем принципе работы беспроводной зарядки, а затем перейдем к самым интересным и волнующим вопросам.

Как работает беспроводная зарядка на смартфонах

Примерно так же, как и обычная зарядка, с помощью которой вы ежедневно заряжаете свой телефон! Или вы думали, внутри той маленькой коробочки с USB-кабелем, которую нужно вставлять в розетку, ток идет только по проводам?

Как мы знаем, для зарядки смартфону нужно 5 вольт, а розетка выдает 220 вольт. Чтобы наше устройство не сгорело при подключении к розетке, необходимо понизить напряжение. Для этого и нужна та самая коробочка под названием блок питания. Внутри этого блока находится трансформатор, принцип работы которого напоминает работу беспроводной зарядки.

Когда вы вставляете блок питания в розетку, провод от нее не идет прямиком в смартфон, а просто наматывается на катушку и больше ни к чему не подключается:

Но как же тогда ток поступает в телефон, если провод от розетки никуда не идет? Именно беспроводным путем! А рядом с этой катушкой размещается еще одна, провод которой и подключается к смартфону:

Такой хитрый трюк позволяет нам понижать или повышать напряжение. А работает это следующим образом.

Когда по проводу протекает переменный ток, вокруг него возникает переменное магнитное поле. Чем больше тока, тем сильнее это поле. Почему так происходит? Да просто так устроен наш мир — подброшенный камень падает вниз, а движение электронов в проводе сопровождается возникновением магнитного поля.

Под словом переменный подразумевается лишь то, что ток постоянно меняет свое направление. То есть, вначале все электроны движутся в одну сторону провода, а затем в обратную. За одну секунду ток в розетке меняет свое направление 50 раз. Этим переменный ток и отличается от постоянного, в котором электроны всегда движутся только в одном направлении.

Когда ток меняет свое направление, меняется и направление магнитного поля (север и юг). Можно сказать, что наш условный магнит (магнитное поле) как бы переворачивается 50 раз в секунду.

Так вот, более столетия назад люди обнаружили, что не только ток создает вокруг провода магнитное поле, но и само магнитное поле порождает в другом куске провода электричество, если этот провод будет находиться рядом.

А катушка нужна лишь для того, чтобы усилить магнитное поле, ведь магнитные поля каждого витка провода накладываются друг на друга.

Получается, когда мы включаем блок питания в розетку, ток проходит по первой катушке и создает магнитное поле, которое в свою очередь, заставляет двигаться электроны в другой катушке, создавая там электричество.

Вот так легко ток передается «по воздуху» от одного куска провода к другому!

Если вам интересно, каким образом 220 вольт превратились в 5 вольт, то здесь все еще проще. Оказывается, разница в напряжении зависит от количества витков провода. Если мы намотаем провод от розетки 220V, условно, в катушку из 220 витков, а второй провод, который будет подключаться к смартфону, намотаем в катушку из 5 витков, тогда 220V с одной стороны превратятся в 5V на другом проводе! Именно поэтому на картинке показано разное количество витков:

Если ток может легко «протекать» между двумя не связанными между собой проводами, ничего не мешает нам разделить такой трансформатор пополам, вытянув вторую катушку и поместив ее в смартфон.

Теперь, чтобы «переслать» энергию по воздуху, нужно будет просто положить смартфон на зарядное устройство, чтобы их катушки находились в непосредственной близости друг ко другу (синими стрелками показано магнитное поле):

Вот и весь секрет беспроводной зарядки!

И если с этим все понятно, тогда можем переходить к интересным вопросам.

— Почему все называют эти зарядки беспроводными, если они по проводу подключаются к розетке!?

Ровно по той же причине, почему и Wi-Fi называется беспроводным интернетом, несмотря на то, что сам роутер подключается к зарядке по проводу.

Конечно, было бы гораздо удобнее, если бы зарядка работала аналогично Wi-Fi роутеру. То есть, в доме стоял бы прибор, который просто «транслировал» энергию в пространство. Нужно зарядить смартфон? Опускаете шторку на телефоне и включаете зарядку, как Bluetooth или NFC.

В принципе, передача энергии на большие расстояния — вполне реальная задача и, возможно, такая технология скоро будет доступна пользователям смартфонов, но пока остается довольствоваться электромагнитной индукцией.

— Почему не все смартфоны поддерживают беспроводную зарядку?

Чтобы смартфон можно было заряжать без провода, внутри него должна находиться катушка, провода которой подсоединены к аккумулятору. Если производитель не встроил эту катушку, такой смартфон заряжаться без проводов не сможет.

Вот, к примеру, как она выглядит в iPhone XR:

Кроме того, если у смартфона задняя крышка металлическая — беспроводной зарядки там быть не может, так как в крышке под воздействием магнитного поля будет появляться ток и она начнет сильно нагреваться. Ничем хорошим это не закончится.

— Можно ли для смартфона покупать любую беспроводную зарядку или нужна определенная?

Еще несколько лет назад на рынке существовало несколько несовместимых между собой стандартов беспроводных зарядок. Самым популярным из них был Qi (читается как «Чи» или «Ци»), но встречались и другие, например, PMA.

Но так как принципиальной разницы между Qi и PMA не было, плюс, Apple выбрала Qi в качестве стандарта для iPhone, PMA проиграл битву. Сегодня практически во всех устройствах используется стандарт Qi, поэтому, если ваш смартфон более-менее современный, подойдет любая зарядка этого стандарта.

— Нужно ли выключать беспроводную зарядку из розетки, когда она не заряжает смартфон?

В этом нет никакой необходимости. Беспроводная зарядка работает в режиме ожидания, когда нет никакой нагрузки. Естественно, электричество при этом практически не потребляется и зарядка не нагревается.

Периодически такая зарядка посылает тестовые импульсы в ожидании ответа от смартфона и пока он ей не ответит, устройство не включится.

— Нужно ли размещать смартфон на зарядке в строго определенном месте с точностью до миллиметра?

Точность до миллиметра не нужна. Но, все же, катушки внутри смартфона и зарядного устройства должны располагаться более-менее точно относительно друг друга.

Если вы покупаете самую дешевую китайскую зарядку, скорее всего, внутри нее будет всего одна катушка и вам придется каждый раз следить за тем, куда и как вы кладете смартфон, чтобы расположение катушек совпало. Иначе смартфон либо не будет заряжаться вовсе, либо эффективность (КПД) зарядки будет крайне низкой и большая часть энергии будет уходить в никуда.

В обычных (хороших) зарядках размещается сразу несколько катушек внахлест:

Когда вы кладете смартфон на такую зарядку, она включает именно ту катушку, которая находится ближе всего к катушке телефона. Так что, при использовании нормального зарядного устройства точно позиционировать смартфон не нужно. Просто положили телефон на зарядку и пошли по своим делам.

Есть и другие интересные решения. Например, когда катушка внутри беспроводной зарядки может передвигаться — вы кладете смартфон, а она подъезжает прямо под катушку телефона.

— Влияет ли чехол на работу беспроводной зарядки?

В чехле смартфон будет находиться чуть дальше от катушки, но если его толщина не превышает 2-3 мм, это не должно сказаться на принимаемой мощности. Поэтому снимать чехол во время зарядки не нужно. Если же он слишком толстый или смартфон будет располагаться слишком далеко от катушки (скажем, дальше 7 мм), зарядка просто отключается.

Материал чехла не играет никакой роли, только если это не металл. Если же на чехле есть металлические вставки, нужно чтобы они не перекрывали катушку. Но даже в этом случае зарядка может не работать. Подробности смотрите в следующем ответе.

— Что будет, если на зарядку положить металлический предмет или рядом окажется что-то из металла?

Естественно, когда металл попадает в переменное магнитное поле, внутри индуцируется электричество и металлический предмет начинает нагреваться. Это могло бы закончиться самыми неприятными последствиями, вплоть до пожара. Но такой сценарий невозможен даже в теории.

Дело в том, что стандарт Qi — это не просто катушка, по которой протекает ток и возникает магнитное поле. На самом деле, беспроводная зарядка — это очень умное устройство, которое никогда не включится, пока не «договорится» со смартфоном.

В режиме ожидания беспроводная зарядка не способна ни зарядить смартфон, ни нагреть металлический предмет. Она практически не работает. Как только в поле действия зарядки попадает любой металлический предмет, включая катушку смартфона, она начинает опрашивать устройство.

Послав запрос, зарядка ожидает ответ. Если устройство подтвердит, что оно полностью совместимо со стандартом Qi, тогда зарядка проверит информацию о положении устройства. И если все эти проверки «металлический предмет» пройдет успешно, только тогда зарядка включится.

Естественно, у простой железки «не хватит ума», чтобы активировать зарядное устройство.

Но что будет, если мы разместим на зарядке смартфон, а рядом будет находиться металлический предмет (монета, кольцо, скрепка) или магнит? Ведь смартфон никак не скажет зарядке, мол, тут что-то рядом подозрительное лежит и пока лучше повременить с передачей энергии.

Верно, не скажет! Но это и не требуется. Зарядка не прекращает общение со смартфоном, который сообщает ей много информации (принимаемую мощность, процент заряда и пр.). И если она заметит, что определенное количество энергии идет в обход смартфона, зарядка тут же прекращается (или не начинается вовсе). Эта технология называется Foreign Object Detection (обнаружение посторонних предметов).

Кстати, именно это «общение» зарядного устройства и телефона гарантирует своевременное отключение процесса заряда, когда аккумулятор полностью зарядился.

— А что будет, если положить на беспроводную зарядку телефон, не поддерживающий эту технологию?

Хотя этот вопрос и может показаться чисто гипотетическим, на самом деле, он имеет и практический смысл. Дело в том, что сегодня очень распространены автомобильные держатели для смартфонов со встроенной беспроводной зарядкой. Поэтому некоторых может волновать вопрос, что будет, если обычный смартфон поместить в такой держатель.

Как вы уже, наверное, догадались, ничего страшного не произойдет, так как Qi-стандарт обязательно требует согласования с устройством перед началом зарядки. О чем можно «говорить» со смартфоном, не понимающим «язык» беспроводной зарядки? Соответственно, зарядка просто не будет работать.

— Влияет ли беспроводная зарядка на работу Bluetooth, Wi-Fi или NFC?

Казалось бы, причем здесь Wi-Fi или Bluetooth?

На самом деле, беспроводная зарядка работает на определенной частоте, так как направление тока меняется тысячи раз в секунду. При работе зарядки возникают электромагнитные волны, которые могут распространяться за пределы смартфона. Но рабочая частота Qi-зарядок составляет от 100 до 300 кГц, в то время как Wi-Fi и Bluetooth работают на частоте 2.4 ГГц, а NFC — на частоте 13.5 МГц.

Таким образом, беспроводная зарядка никак не может повлиять на работу Bluetooth, Wi-Fi или NFC. Однако вызвать помехи в диапазоне 100-300 кГц — вполне способна.

— Беспроводная зарядка вредна для здоровья?

Если положить руку на беспроводную зарядку, ничего не произойдет, так как она даже не включится. Когда зарядка работает, ее электромагнитное излучение совершенно безвредно для здоровья человека. Равно как и излучение от смартфона или вышек 5G.

— Убивает ли беспроводная зарядка батарею смартфона?

Не сильнее, чем проводная зарядка. Батарею ежедневно «убивает» сам процесс заряда и разряда, так как после каждого такого цикла емкость незначительно сокращается из-за химических процессов, происходящих внутри аккумулятора.

Но что по-настоящему вредно для батареи, так это очень высокая температура. И здесь ситуация следующая. С одной стороны, беспроводный способ зарядки — далеко не самый эффективный. Зарядное устройство потребляет больше энергии, чем отдает. А смартфон получает меньше энергии, чем отдает зарядка. Часть этой энергии уходит в тепло.

К слову, в обычной зарядке катушки не просто так «болтаются» в воздухе, а наматываются на специальный магнитопровод, чтобы добиться максимально эффективной передачи магнитного поля. Здесь же никакого магнитопровода нет.

Зачастую выделяемого тепла не достаточно для того, чтобы причинить хоть какой-то вред аккумулятору. А быстрые беспроводные зарядки и вовсе оборудованы системой охлаждения.

Кроме того, в процессе зарядки оба устройства не прекращают обмениваться информацией и при опасном повышении температуры зарядное устройство начнет снижение мощности.

В целом, беспроводная зарядка — это совершенно естественный метод, который ничем не опаснее проводной зарядки.

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии.

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Развенчиваем распространённые мифы о телефонных аккумуляторах

В мире литий-ионных аккумуляторов смартфоны занимают центральное место. Однако они же породили и постоянную дискуссию: наносит ли длительная (в т.ч. ночная) зарядка вред батарее?

Срок службы аккумулятора телефона определяется рядом факторов, в том числе сроком изготовления и химическим составом. Под химическим старением понимается постепенная деградация аккумулятора под воздействием таких факторов, как колебания температуры, режимы зарядки и разрядки, а также общий режим использования.

Со временем химическое старение литий-ионных батарей приводит к снижению ёмкости, срока службы и производительности.

По данным Apple:

Обычная батарея [iPhone] рассчитана на сохранение до 80% первоначальной ёмкости при 500 полных циклах заряда в нормальных условиях эксплуатации.

Исследования показали, что батарея смартфона 2019 года может в среднем пройти 850 полных циклов заряда/разряда, прежде чем её ёмкость упадёт ниже 80%. Это означает, что примерно через два-три года эксплуатации от первоначальной ёмкости аккумулятора останется только 80%. В этот момент батарея начинает разряжаться заметно быстрее.

Нужно ли заряжать телефон всю ночь?

Для полной зарядки большинства смартфонов нового поколения требуется от 30 минут до двух часов.

Время зарядки зависит от ёмкости аккумулятора — более ёмким требуется больше времени — а также от мощности зарядного устройства.

Зарядка телефона на ночь не только не нужна, но и ускоряет старение аккумулятора. Чтобы максимально продлить срок службы батареи, следует избегать полных циклов зарядки (от 0% до 100%).

Слишком частая зарядка аккумулятора до 100% может негативно сказаться на общем сроке его службы.

Аналогичным образом, длительное нахождение iPhone в режиме полной зарядки может негативно сказаться на его «здоровье».

Вместо полной зарядки рекомендуется заряжать аккумулятор до 80% и не допускать снижения заряда ниже 20%.

Можно ли «перезарядить» телефон?

Теоретически литий-ионные аккумуляторы могут быть «перезаряжены». Это может привести к риску, например, к перегреву и возгоранию батареи. Хорошая новость: большинство современных телефонов оснащены встроенной защитой, которая автоматически останавливает зарядку аккумулятора выше 100%, что предотвращает любой ущерб от перезарядки.

Однако каждый раз, когда заряд аккумулятора снижается до 99% (из-за работы приложений в фоновом режиме), происходит «капельная подзарядка»: аккумулятор начинает заряжаться снова для поддержания полностью заряженного состояния.

Со временем капельная подзарядка может привести к износу аккумулятора. Поэтому многие производители предусмотрели функцию её регулирования. В смартфонах Apple iPhone предусмотрена функция отсрочки зарядки при достижении 80%. В телефонах Galaxy компании Samsung предусмотрена возможность ограничить зарядку на уровне 85%.

Компании Apple и Samsung предлагают настройки для продления срока службы аккумулятора и уменьшения его старения.

Может ли телефон взорваться от зарядки?

Очень маловероятно, что ваш смартфон взорвётся в результате зарядки, тем более что большинство телефонов сегодня оснащены автоматической защитой от перезарядки.

Тем не менее, за последние годы мы получили несколько сообщений о неожиданных взрывах телефонов. Обычно это происходит в результате производственного брака, некачественного оборудования или физического повреждения.

Литий-ионные аккумуляторы телефонов перегреваются, когда выделяемое при зарядке тепло не успевает отводиться. Это может привести к ожогам или, в крайнем случае, к пожару.

Кроме того, эти батареи эффективно работают в диапазоне температур от 0 до 40°C. При более высокой температуре окружающей среды они могут расширяться, что может привести к пожару или взрыву.

Использование неправильного, неисправного или некачественного зарядного устройства или кабеля также может привести к перегреву, возгоранию и повреждению самого телефона.

Советы по увеличению срока службы аккумулятора

Несмотря на то, что в телефоне, скорее всего, имеются встроенные механизмы защиты аккумулятора, осторожный подход позволит продлить срок его службы. Вот некоторые способы защиты аккумулятора телефона:

• устанавливайте последние обновления программного обеспечения, чтобы поддерживать телефон в актуальном состоянии с учётом улучшений эффективности работы аккумулятора, предлагаемых производителем;
• используйте оригинальные или сертифицированные зарядные устройства, так как мощность (амперы, вольты и ватты) в зарядных устройствах других производителей может отличаться и не соответствовать требуемым стандартам безопасности;
• не подвергайте телефон воздействию высоких температур — Apple и Samsung утверждают, что их телефоны лучше всего работают при температуре окружающей среды от 0 до 35°C;
• ограничивайте зарядку до 80% от полной ёмкости и не позволяйте ей опускаться ниже 20%;
• не оставляйте телефон на зарядку на длительное время, например, на ночь, и отключайте его от источника питания, если заряд батареи достигает 100%;
• держите телефон во время зарядки в хорошо проветриваемом помещении и не кладите его или зарядное устройство под одеяло, подушку или на тело, когда он подключён к источнику питания;
• следите за состоянием аккумулятора и выявляйте необычные тенденции, например, чрезмерное время зарядки или быстрая разрядка;
• если вы заметили, что ваш телефон чрезмерно нагревается или у него выпуклая или вздутая задняя панель, обратитесь в авторизованный сервисный центр для проверки и ремонта.

Если вам нужны конкретные сведения о конкретном телефоне и аккумуляторе, лучше всего следовать рекомендациям производителя.

• аккумуляторы
• зарядка
• капельная подзарядка

• Смартфоны
• Энергия и элементы питания

Как работает самая быстрая зарядка смартфона. Или что такое OPPO SuperVOOC?

Признаюсь, эта статья родилась спонтанно. Я уже давно хотел рассказать о том, как работает быстрая зарядка на смартфоне, вредна ли она и почему, но всё как-то руки не доходили. Было много других интересных тем.

Но во время работы над обзором OPPO Reno4 Pro, меня просто поразила технология быстрой зарядки SuperVOOC 2.0 и я решил отставить на время сам обзор, погрузившись в исследование данной темы. А чтобы уже «не вставать дважды», расскажу не только о SuperVOOC, но и принципе работы всех быстрых зарядок.

И вначале попробую вас немного заинтриговать:

• Зарядка SuperVOOC заряжает мой телефон с аккумулятором на 4000 мАч за 28 минут.
• В процессе зарядки корпус смартфона не нагревается до высоких температур. Ощущается теплым — не более того.
• Блок питания на 65 Ватт также не перегревается, а по размерам он лишь на несколько миллиметров крупнее 33-Вт блока питания от Xiaomi.
• SuperVOOC работает даже под высокой нагрузкой. Если разрядить смартфон до нуля, а затем включить в зарядку и параллельно запустить тяжелую игру (PUBG), то полное время заряда составит 57 минут! Телефон при этом не будет обжигать руки.

Как это всё возможно!? И нет ли здесь подвоха? Другими словами, не случится ли так, что через год пользования такой быстрой зарядки, от аккумулятора останется лишь половина его первоначальной емкости?

Как обычно, начнем разбираться с азов!

Как вообще работает зарядка батареи смартфона?

Подробно об этом я рассказывал в отдельной статье, но для тех, кто ее не читал, вкратце объясню суть.

Аккумулятор — это такая «коробочка», разделенная на две секции (анод и катод) специальным материалом, называемым сепаратором. А сепаратор пропитан веществом под названием электролит:

В первой секции (на катоде) находится огромное количество атомов лития. Атом — это такая мельчайшая деталька, из которой строится всё, что нас окружает. У атома есть ядро, вокруг которого летают электроны, а в самом ядре находятся протоны:

Электроны всегда имеют отрицательный заряд («минус»), а протоны — положительный («плюс»). Если от атома оторвать электрон («минус»), то протонов («плюсов») окажется больше и мы назовем такой атом положительным ионом.

Главное, что нужно знать об отрицательных электронах и положительных ионах — они всегда притягивают друг друга. Если у атома не хватает электронов, он постарается заполучить их. Хотя, здесь и стараться-то нечего, ведь электроны будут сами стремиться к нему.

Теперь на секундочку вернемся к сепаратору с электролитом. Главное его свойство заключается в том, что электролит свободно пропускает через себя положительные ионы («положительные заряды»), но блокирует движение электронов («отрицательных зарядов»):

Во время зарядки происходит следующее. Мы подаем на первую секцию (катод) мощный положительный заряд (плюс) от сети, а на вторую секцию (анод) — отрицательный (минус):

На катоде происходит химическая реакция, в результате которой материал катода (оксид лития-кобальта) теряет электроны, так как их «высасывает» зарядка. Ведь электроны — это отрицательно заряженные частицы и они притягиваются более мощным положительным зарядом из блока питания. В результате ионы лития выходят из структуры оксида лития-кобальта, так как пропали электроны, удерживающие их в составе оксида лития-кобальта.

В то же время, блок питания «вливает» из сети множество электронов во вторую секцию (анод) и там накапливается большой отрицательный заряд. Если бы не электролит, эти электроны сразу же перешли бы к катоду и снова заняли свои места в материале катода.

Но так как они не могут этого сделать, положительные ионы лития проходят через электролит и уже там воссоединяются со своими электронами в составе анода (графита):

Когда батарея смартфона была полностью разряженной, в первой секции (на катоде) находилось множество атомов лития в составе материала катода. Но после зарядки все атомы лития, которые потеряли свои электроны, переместились во вторую секцию и соединились там с электронами в составе анода:

Когда мы отключаем блок питания, положительно заряженный кобальт (во время зарядки именно он терял электроны, из-за чего и увеличивал свой положительный заряд) начинает всеми силами притягивать электроны с анода.

Но, опять-таки, они не могут пройти через электролит. Однако выход есть! Мы соединяем две секции батарейки (анод и катод) «проводом», который проходит через все компоненты смартфона (экран, динамик, процессор и другие).

Как только электроны «увидели» обходной путь, они сразу же оторвались от анода и устремились по нему, чтобы занять свое место в составе катода. Следом за ними через электролит «поплыли» и оставшиеся ионы лития. А движение электронов — это и есть ток, который нужен смартфону для работы:

В конце концов, на аноде снова не останется ионов лития, так как они «переплывут» через электролит на катод. И опять мы придем к ситуации, когда в первой секции будет полно атомов лития, а во второй — пусто. Снова нужно подключать зарядку, чтобы всё повторить и «перегнать» атомы лития к аноду.

Вот, собственно, и весь процесс! Теперь перейдем к быстрым зарядкам.

Как работают «классические» быстрые зарядки. Поговорим о напряжении и токе

У каждого аккумулятора есть важнейший параметр — его напряжение. Чтобы лучше понимать, что такое напряжение, просто представьте, что это «давление», с которым батарейка пытается вытолкнуть электроны из второй секции (анода) к первой (катоду).

Чем выше это давление, тем быстрее будут проталкиваться электроны. И не думайте, что они вылетают из батарейки, проносясь по проводам со скоростью света. Это далеко не так. В реальности электрон «ползет» по проводу со скоростью 3 метра в час!

Так вот, все смартфоны используют литий-ионные аккумуляторы с напряжением около 3.6 вольт. То есть, батарейка любого смартфона будет выталкивать электроны под одним и тем же «давлением».

Например, если у нас есть лампочка, которая работает от 2 вольт, то для ее питания нужна батарейка, способная проталкивать электроны под соответствующим «давлением». И если напряжение батарейки будет 1 вольт, то такого давления не хватит, чтобы протолкнуть через лампочку электроны и она работать не будет. Если напряжение батарейки будет 9 вольт, такое давление просто «разорвет» лампочку и она сгорит.

Так же и со смартфоном. Ему нужно определенное «давление» (напряжение) для работы. Откуда берется это давление? Вспомните еще раз две секции батарейки. Когда она полностью заряжена, на аноде очень высокий отрицательный заряд (множество свободных электронов), а на катоде — положительный. Вот эта разница и создает давление (напряжение) между двумя секциями и электроны с одной секции будут вылетать под этим напряжением.

Батарейка смартфона считается полностью разряженной, когда ее напряжение падает чуть ниже 3 вольт. Несмотря на то, что напряжение в батарейке еще есть, этого давления (скажем, 2.6 вольт) уже не хватит для работы всех компонентов и смартфон отключает питание от аккумулятора.

Соответственно, когда аккумулятор полностью заряжен, его напряжение увеличивается, ведь мы делаем так, чтобы в одной секции оказалось больше электронов, а в другой — положительных ионов. Оно поднимается где-то до 4.2 вольта. Это и есть «заряд 100%», который отображается на экране смартфона. Соответственно, напряжение 3.6 вольт — это где-то около 50% заряда.

Вот так аккумулятор и живет, то поднимая напряжение до 4.2 вольта (полностью заряжен), то опуская где-то до 2.7 вольт (полностью разряжен).

Но есть еще одна важная деталь. Давление само по себе не имеет никакого смысла, если «не на что давить». Зачем нам давление в трубе, если там нет воды? С напряжением ровно то же.

Давление нужно для того, чтобы «толкать» электроны. Так вот, количество этих электронов мы измеряем в амперах (сила тока). Чем больше ампер — тем физически больше электронов проходит по проводу. Под одним ампером подразумевается колоссальное количество электронов — 6241 квадриллион (то, что идет после триллиона) отрицательно заряженных частичек!

А теперь посмотрите, что происходит с напряжением и током на аккумуляторе смартфона во время зарядки:

Весь процесс делится на две фазы (на самом деле — 4 фазы, но нас интересуют только две основные). Вначале на аккумулятор подается максимальный ток (зарядка заталкивает квадриллионы электронов) и постоянно нарастает напряжение. Когда напряжение достигло максимума (где-то 4.3 вольта), наступает вторая фаза.

Еще раз, пока на аноде мало электронов, они могут с легкостью туда залетать (первая фаза), но когда напряжение уже максимально и анод «забит под завязку» электронами, становится всё труднее заталкивать туда новую порцию электронов. Поэтому сила тока (амперы) очень сильно падает. Когда сила тока опускается до определенного значения, смартфон отключает зарядку, чтобы не навредить аккумулятору.

Весь секрет быстрой зарядки состоит в том, чтобы во время первой фазы протолкнуть как можно больше электронов. Скажем, чтобы по проводу проходило не 6 тысяч квадриллионов электронов, а 12 или даже 20 тысяч квадриллионов в час. Ведь на аноде еще полно свободного места.

Это можно сравнивать с автобусом. Когда в нем нет ни единого человека, первые пассажиры могут очень быстро зайти и занять свое место (первая фаза зарядки). Но когда автобус набит людьми, новым пассажирам приходится проталкиваться внутрь с огромными усилиями и скорость наполнения автобуса людьми очень снижается (вторая фаза).

Первая фаза — это до 80% всего заряда смартфона, а вторая — остальные 20%.

Именно поэтому быстрая зарядка заряжает телефон «быстро» вначале, а под конец притормаживает.

Если медленная зарядка во время первой фазы проталкивает 1 ампер в час, то быстрая старается использовать первую фазу максимально эффективно и заталкивать туда 3-4 ампера. Напряжение при этом остается стандартным — чуть меньше 5 вольт. Именно поэтому для смартфона всегда используются блоки питания на 5 вольт.

Но подождите-ка, какие еще 5 вольт? На моей зарядке ведь четко написано: 5V — 2A, 9V — 3A. Более того, есть зарядки, на которых вообще написано 12V. Получается, не все аккумуляторы смартфонов заряжаются от 5 вольт?

«Быстрые» блоки питания на 5, 9, 12 и 20 вольт

Дело в том, что ток неразрывно связан с теплом. Когда электроны движутся по проводу, они сталкиваются с другими атомами и молекулами провода, из-за чего часть энергии передается этим частичкам и выделяется тепло.

Узнать количество этого тепла очень легко! Согласно закону Джоуля-Ленца, оно равняется квадрату силы тока, умноженному на сопротивление провода.

Проще говоря, если наш блок питания будет выдавать силу тока в 1 ампер, то USB-кабель будет незначительно нагреваться. Но если мы увеличим ток в 2 раза, то есть, будем подавать 2 ампера, то нагрев увеличится уже в 4 раза. А 4 ампера будут нагревать провод в 8 раз сильнее.

Так недалеко и до того, чтобы расплавить провод! Поэтому подавляющее большинство всех USB-кабелей рассчитаны на ток до 3 ампер.

Что же делать!? Как передать по проводу не 3 ампера, а 4-5 и больше, чтобы побыстрее завершить первую фазу зарядки?

Можно, конечно, вместо метрового кабеля для зарядки использовать 10-сантиметровый. Таким образом мы сократим сопротивление, чем снизим и нагрев (напомню, нагрев это I 2 *R, где I — сила тока, а R — сопротивление провода). Но это не выход.

Почему быстрая зарядка нагревает телефон? Или что такое мощность тока

Можно поступить гораздо проще! И на помощь нам приходит мощность тока (скорость передачи энергии). Это те самые ватты, о которых говорится во всех обзорах и характеристиках смартфонов. У кого-то зарядка выдает 5 Ватт (iPhone), у кого-то 25 Ватт (Samsung), а где-то есть и 65 Ватт (OPPO).

Так вот, мощность (ватты) — это напряжение, умноженное на силу тока. Если напряжение 5 вольт, а сила тока — 2 ампера, тогда мощность равняется 5*2 = 10 Вт.

Именно поэтому быстрые зарядки и научились передавать 5 и больше ампер по проводу, который не выдерживает >3 ампер. Вместо того, чтобы отправлять 5 ампер под напряжением (давлением) в 5 вольт (мощность 25 Вт), быстрая зарядка «толкает» всего 2 ампера, но под напряжением в 12 вольт и смартфон получает примерно ту же мощность ~25 Вт.

Становится действительно жарко…

Но что происходит дальше внутри смартфона? Он получил на вход 12 вольт и 2 ампера, а батарейку необходимо заряжать ~5 вольтами. Значит, нужно конвертировать 12 вольт и 2 ампера в 5 вольт и 5 ампер.

Это довольно «горячий» процесс, который и является одним из источников тепла во время зарядки.

C-rate аккумулятора или почему нельзя использовать ток в 50 ампер

Мы уже разобрались, что весь смысл быстрой зарядки заключается в том, чтобы «затолкать» как можно больше ампер (электронов) в первой фазе. Но не возникает ли у вас закономерный вопрос — почему бы не использовать 10 или 50 ампер? Представьте, 5 вольт и 50 ампер дадут зарядку мощностью в 250 Ватт!

К сожалению, не всё так просто, ведь у батарейки есть свое внутреннее сопротивление. Конечно, никто специально туда не устанавливает никаких резисторов (резистор — это такая деталька для увеличения сопротивления).

Сопротивление аккумулятора — это его химические реакции

Чем выше будет ток, тем больше мощности будет уходить на тепло и при определенной силе тока батарейка может вообще взорваться. Высокая температура может уничтожать сепаратор, а если в нем появится брешь, все электроны мгновенно устремятся не по проводу, а напрямую из одной секции аккумулятора в другую. И добром это не кончится (можно вспомнить Galaxy Note 7).

Кроме того, высокая температура под высоким напряжением (более 4 вольт) способствует ускоренному образованию очень вредных «пленок» со стороны анода и катода. Подробно об этом я рассказывал в уже упомянутой ранее статье.

Так какой же ток является безопасным? Для каждого аккумулятора он свой и выражается в так называемом C-rate или просто показателе C. Это очень простая для понимания концепция.

Если у нас есть аккумулятор емкостью 3000 мАч (или 3 ампера в час) с показателем C-rate = 1C, это значит, что такой аккумулятор нельзя заряжать током выше 3 ампер. Если бы тот же аккумулятор имел 0.5C рейтинг, то для него безопасным током являлось бы 0.5*3000мАч = 1500 мАч или 1.5 ампер в час.

Раньше все аккумуляторы имели C-rate около 0.5-0.8C. То есть, смартфоны 10-летней давности с аккумуляторами на 2000 мАч, можно было заряжать током от 1 до 1.6 ампер в час.

Современные аккумуляторы позволяют заряжать током до 2C! То есть, батарея емкостью 3500 мАч, может выдержать без серьезных последствий ток до 7 ампер (3500 мАч * 2C)! Такие показатели достигаются самыми разными путями (больше электролита, другой его химический состав, более толстые проводники и так далее). И это напрямую влияет на скорость зарядки:

Таким образом, нужно понимать одну важную вещь:

Современная быстрая зарядка — это не аккумулятор 10-летней давности, подключенный к мощному блоку питания.

Технологии в области батарей и блоков питания также очень сильно продвинулись вперед, что плавно подталкивает нас к основной теме, а именно, как же работает OPPO SuperVOOC и в чем уникальность этой технологии. Ведь она на самом деле отличается от всего, что есть на рынке.

Как работает OPPO SuperVOOC

Сразу же предупреждаю, технология SuperVOOC требует не только специального блока питания или аккумулятора, но и особого кабеля, который отличается от любого другого.

C-rate у аккумулятора с поддержкой SuperVOOC 2.0 должен быть не менее 3C. То есть, он должен выдерживать на первой фазе зарядки ток, в три раза превышающий емкость. Если это 4000 мАч, тогда ток должен быть 12 ампер. Но, здесь есть один важный нюанс, о котором я скажу чуточку позже.

OPPO не использует все эти хитрости с увеличением напряжения и понижением силы тока. Если Quick Charge 4 (конкурирующая технология) от Qualcomm может выдавать напряжение до 20 вольт, чтобы снизить силу тока в амперах и не расплавить провод, то блок питания SuperVOOC прямо выдает по проводам 6.5 ампер!

Но обычный USB-кабель не выдержит такой силы тока и OPPO использует специальный кабель, внутри которого добавлен еще один дополнительный провод.

Это значит, что телефону не нужно понижать напряжение в 20 вольт (как Quick Charge), так как к нему по проводам уже идет 6.5 ампер. Соответственно, такой смартфон уже значительно сокращает количество выделяемого тепла внутри корпуса.

Здесь еще есть важная деталь — блок питания SuperVOOC выдает по проводу 10 вольт, а аккумулятор заряжается от ~5 вольт, но и здесь ничего не нужно понижать.

Дело в том, что OPPO пошла по пути, который раньше считался очень невыгодным (из-за высокой стоимости, необходимости в дополнительном пространстве внутри корпуса и других проблем). Компания фактически размещает два аккумулятора по 2000 мАч каждый, соединив их параллельно.

Получается, даже напряжение в 10 вольт не нужно понижать, так как каждый из двух «маленьких» аккумуляторов получает свои 5 вольт.

И, как мне кажется, именно отсюда и появляется удивительный C-rate в 3C (для справки, в новой версии технологии на 120 Ватт C-rate увеличен до невероятных 6C). Скорость 3C компания считает не для всего аккумулятора на 4000 мАч (3C = 12 ампер), а для каждого маленького на 2000 мАч (3C = 6 ампер), что вполне вписывается в рамки современных технологий.

Выходит, даже подавая на аккумулятор ток в 6.5 ампер под напряжением 10 вольт, компания не превышает допустимые пределы и уменьшает нагрев, так как не нужно понижать напряжение внутри смартфона.

GaN-зарядка

Остается последний вопрос — в чем секрет блока питания? Как можно делать зарядник на 65 Ватт при таком размере, чтобы он еще и не перегревался?

К сожалению, объяснение этого «феномена» уже выходит за рамки статьи, так как здесь используется новая технология, основанная на транзисторах из нитрида галлия. Это настолько интересная вещь, что можно считать ее небольшой революцией в области блоков питания.

Но о том, что такое GaN, причем здесь транзисторы и как всё это работает, я обязательно расскажу как-нибудь потом.

Вредна ли быстрая зарядка? Несколько слов о «циклах»

Думаю, вы уже понимаете, что именно вредит аккумулятору. Высокое напряжение и, соответственно, высокая температура могут разрушать перегородку между двумя секциями батареи.

Кроме того, высокое напряжение ускоряет появление всевозможных образований из лития на катодах и анодах. То есть, с каждым разом лития становится всё меньше и меньше, что влечет за собой сокращение емкости батареи.

Именно поэтому рекомендуется держать напряжение аккумулятора в пределах ~3.9 вольт, то есть, не заряжать свыше 70-80%. Теоретически для батареи лучше сделать 10 подзарядок от 50 до 60%, чем одну — от 0 до 100%. По той же причине (высокое напряжение на аккумуляторе) не рекомендуется и на ночь оставлять смартфон в зарядке, так как батарейка в течение долгого времени находится под максимальным напряжением в 4.2 вольта, что ускоряет процесс деградации лития и электролита.

Так вредна ли быстрая зарядка? Это зависит от того, насколько сильно она разогревает батарею. Если мы говорим об OPPO SuperVOOC на 65 Ватт, тогда ответ прост — совершенно безвредна. Во-первых, из-за того, что смартфон не перегревается, а во-вторых, компания предоставила отчет о тестировании SuperVOOC.

Если Apple гарантирует, что спустя 500 циклов полной разрядки и зарядки (медленной), емкость аккумулятора iPhone не сократится ниже 80%, то OPPO заявляет, что спустя 800 циклов полной разрядки и зарядки (65 Ватт), емкость аккумулятора будет составлять около 91% от изначальной.

Технология SuperVOOC буквально меняет опыт использования смартфона. Когда мне нужно срочно куда-то бежать, а на телефоне остается всего 7% заряда, я просто ставлю его на зарядку, пока одеваюсь. Спустя несколько минут, смартфон уже заряжен до 60%, а при емкости в 4000 мАч, этого вполне хватит до вечера.

Не знаю, произойдет ли в будущем революция в области аккумуляторов, когда одного заряда будет хватать на неделю или месяц, но у меня нет сомнений в том, что благодаря усилиям таких компаний, как OPPO, Huawei, Qualcomm или Mediatek, мы сможем уже в ближайшем будущем заряжать свои смартфоны за 5-10 минут.

Alex Salo, editor in chief @ Deep-Review

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Как работает зарядное устройство для телефона

В сегодняшней статье мы рассмотрим принцип работы зарядного устройства, которое используется для подзарядки аккумулятора современных смартфонов.

Если вы думаете, что внутри такого блока питания находится обычный или импульсный трансформатор, то это не совсем так. На самом деле внутри пластикового корпуса скрывается довольно интересное устройство — обратноходовый преобразователь.

Данное устройство одновременно обладает свойствами как трансформатора, так и самоиндукции.

В отличие от классических трансформаторов, обратноходовые преобразователи отличаются гибкостью и универсальностью в работе.

В частности, зарядное устройство для телефона способно стабильно держать выходное напряжение на одном уровне, даже если значения входного напряжения в электросети скачет в диапазоне сотни вольт.

Например, напряжение в электросети может «гулять» в пределах 100-240 V, но на выходе напряжение всегда будет 5 V.

Что собой представляет обратноходовой преобразователь

По сути, данное устройство является повышающим DC/DC преобразователем, но с одним существенным отличием.

Для начала давайте разберем на схематическом примере, как работает стандартный повышающий DC/DC преобразователь.

В работе устройства задействовано пять основных элементов:

• дроссель;
• конденсатор;
• диод;
• ШИМ-контроллер;
• транзистор.

Для работы всех вышеперечисленных элементов дополнительно потребуется источник питания. Давайте изобразим все элементы схематично. Транзистор изобразим в виде кнопки, чтобы было понятно, когда он закрыт и открыт.

В момент, когда транзистор находится в открытом положении (при подключении устройства к источнику питания), через дроссель и транзистор по идее должен протекать ток. Но этого не происходит до тех пор, пока дроссель сопротивляется прохождению тока.

Когда дроссель сформирует магнитное поле, то перестанет сопротивляться протеканию тока. Однако в этот самый момент срабатывает ШИМ-контроллер и закрывает транзистор, чтобы предотвратить короткое замыкание.

После закрытия транзистора дроссель пытается сбросить накопленное магнитное поле в виде электричества. По сути, дроссель сам становится источником тока. На его контактах возникает напряжение. Такое явление называется самоиндукцией.

Советуем к прочтению: Параллельное соединение резисторов — схемы, формулы, таблицы расчетов

С помощью ШИМ-контроллера можно не только регулировать величину магнитного поля, но также можно менять напряжение, которое идет к конденсатору и нагрузке.

Обратноходовой преобразователь отличается от повышающего DC/DC преобразователя тем, что в нем установлен не стандартный дроссель, а специальный — многообмоточный.

Хоть такой дроссель и выполняет функцию трансформатором, обычно его трансформатором не принято называть.

Схема обратноходового преобразователя, который применяется в зарядных устройствах для телефонов, выглядит следующим образом.

Как вы могли заметить, источником питания в данном случае является уже сетевое напряжение в розетке.

Также стоит отметить, что в схеме обратноходового преобразователя добавляются еще два элемента — это диодный мост и транзистор, которые выпрямляют и сглаживают сетевое напряжение, поступающее из розетки.

Работает устройство следующим образом:

1. при открытом транзисторе первая обмотка многообмоточного дросселя накапливает магнитное поле;
2. когда транзистор закрывается, вторая обмотка дросселя сбрасывает магнитное поле в виде электричества на конденсатор и затем на нагрузку.

Обратите внимание: более низкое напряжение на выходе достигается за счет того, что на вторичной обмотке дросселя намотано меньшее количество витков, чем на первичной. В данном случае дроссель работает по принципу трансформатора.

Видео по теме

Более подробную информацию о работе зарядного устройства для телефона, а также разбор рабочей схемы блока питания вы найдете в видеоролике ниже.

Как работает зарядка телефона? Обратноходовой блок питания. Самое понятное объяснение!

Как вам статья?
Мне нравится 60 Не нравится 3

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Похожие публикации:

1. Urna contact что такое
2. Емкость с20 что это
3. Замена саб платы в телефоне это что
4. Как правильно выпаять деталь из платы