Бурхливий розвиток апаратури стільникового зв'язку та інших мобільних гаджетів призвело до різноманіття джерел живлення і їх «носяться» варіантів - акумуляторів і, відповідно, зарядних пристроїв. У статті я спробую узагальнити дані про різні автономних джерелах струму і методах їх експлуатації, в першу чергу заряду. Так як огляд складений, перш за все, для користувачів сучасної електроніки, а не для фахівців, деякі моменти будуть висвітлені дещо спрощено.

Як джерела живлення в сучасних мобільних пристроях використовуються, як правило, акумулятори. У перших стільникових телефонах широко застосовувалися лужні акумулятори: нікель-кадмієві (Ni-Cd) і нікель-метал-гидридні (Ni-MH). Їх номінальна напруга відносно низьке (1.2 В). Тому для досягнення робочих 3.6 - 6 вольт вони збиралися в батареї, що складаються з 3-5 акумуляторів. В даний час такі джерела представлені частіше у вигляді циліндричних герметичних акумуляторів типорозміру АА або ААА для харчування радіотелефонів, фотоапаратів, медичного обладнання.

Володіючи рядом позитивних якостей, вони, природно, мають і недоліки. В першу чергу, це досить велику вагу, істотний саморазряд, «ефект пам'яті» - зниження ємності при періодичному неповному (більше 30%) розряді. Ємність (С) акумулятора показує, за який час він розрядиться номінальним струмом від повністю зарядженого стану до повного розряду. Вимірюється в ампер-годинах (Аг) або міліампер-годинах (мАг, на імпортних акумуляторах позначення - mAh).

C = Iном * t

Так, наприклад, якщо свежезаряженних батарея буде розряджатися струмом 200 мА до повного розряду протягом 5 годин, то її ємність складе 1000 мАг. У перших «мобільників» найбільш «ходова» ємність батарей була 600 - 900 мАг. Втім, електронна начинка телефонів була не такою ненажерливої, тому час їх роботи від заряду до заряду становило кілька діб.

Стандартним для акумуляторів цього типу є заряд струмом 0.1С протягом 14-16 годин (повільний заряд). При цьому контролюється тільки час заряду, яке може бути збільшено без шкоди для акумулятора.

Трохи (до 6-7 годин) прискорити заряд, контролюючи лише час, для більшості таких джерел можна, збільшивши струм заряду до 0.2С. Але частіше застосовується швидкий заряд струмом 0.3С - 0.5с протягом 2.5 - 3.5 годин. При цьому настійно рекомендується контролювати струм заряду, напруга акумулятора (а вірніше, його падіння в кінці заряду, так зване «-ΔU») і температуру, так як вона значно збільшується, особливо в кінці заряду. Як правило, за цими параметрами стежить автоматичне ( «інтелектуальне») зарядний пристрій із застосуванням спеціалізованих мікросхем. Для додаткової безпеки в самі батареї вбудовуються термозапобіжника.

Згодом цей тип вторинних джерел живлення став витіснятися літій-іонними (Li-Ion) і літій-полімерними акумуляторами. У них значно менший саморозряд, велика питома ємність, а відповідно, і меншу вагу, практично повністю відсутня «ефект пам'яті». Тому вони заслужено використовуються в сучасних девайсах, зокрема, в смартфонах (правда, це не говорить про відсутність недоліків, властивих цьому типу джерел живлення). Номінальна напруга таких акумуляторів інше, 3.6 - 3.7 В, як і методи заряду. Найбільш поширений наступний стандартний алгоритм: перший етап - заряд стабільним струмом величиною близько 0.5 - 1С до напруги 4.2 В. Після досягнення цього значення починається другий етап - постійною напругою, поки струм не зменшиться до величини 3-5% від початкового значення. В принципі, другий етап можна виключити, але тоді заряд акумуляторної батареї на 70-80% від максимальної величини.

У будь-якому випадку основний постулат для Li-Ion і Li-Po акумуляторів - це заряд обмеженим струмом до напруги не вище 4.2 В. Літієві акумулятори не терплять перезарядження, і максимальний рівень заряду на них не повинен перевищувати цей поріг. Точність відстеження цього напруги висока - не гірше 0.05 В. Недотримання цієї умови може призвести до нагріванням, «роздуттям» акумулятора і розгерметизацією. Тому всередині акумуляторних зборок для забезпечення безпечної експлуатації знаходяться контролери, що відключають акумулятор в разі перевищення напруги під час заряду, а також зниження його до мінімальної величини при глибокому розряді. Залежно від рекомендацій виробника (в першу чергу промислових акумуляторів і військового призначення) допустима напруга може бути зменшено до 4.1 - 4.15 В.

У деяких зарядний пристрій ток максимальним стає не відразу, а поступово наростає до максимуму за кілька хвилин - використовується плавний пуск ( «софт-старт»). Необхідно також зменшити струм при заряді сильно розрядженого (до рівня нижче 2.8-3.0 В) акумулятора. Наприклад, Siemens для своїх батарей пропонує наступний алгоритм: перший етап - заряд струмом 20 мА до напруги 2.8 В, потім 50 мА до 3.2 В, третій етап - нормальний заряд. Недотримання цієї умови може призвести як мінімум до виходу акумулятора з ладу. Необхідно відзначити, що глибокий розряд негативно позначається на «життєздатності» літій-іонних акумуляторів, і, до речі, не всі зарядні пристрої забезпечують зарядку при напрузі на них менше 2.5 - 2.8 В.

Нескладно зрозуміти, що час при стандартному заряді складає не менше 2 - 3 годин. Здавалося б, зменшити цей час можна, збільшивши струм заряду. Але на ділі не все так просто. Напруга зарядного пристрою (мережевого адаптера) 5 В обрано не випадково - це напруга порту USB, через який можна також виробляти заряд. Правда, спочатку за специфікацією USB 2.0 його вихідний струм був обмежений рівнем 500 мА, а порти USB - 3.0 - 900 мА. Нагадаю, що кабель USB (до 2.0 включно) складається з 4 мідних провідників - 2 провідника харчування і 2 провідники даних D + і D- і заземленої металевої обплетення (екрану). Відповідно, роз'єм також має однойменні з кабелем контакти. У специфікації USB 3.0 роз'єми і кабелі сумісні з USB 2.0, причому для ідентифікації роз'єми USB 3.0 прийнято виготовляти з пластику синього кольору. При уважному розгляді видно, що роз'єм USB 3.0 має додаткові контакти, що не задіюються при з'єднанні з кабелем USB 2.0.

У «правильно» працюють пристроях в разі перевищення струму споживання порт USB знижує напругу або зовсім його відключає (вбудований захист порту від перевантаження).

Систематизувати стан справ при харчуванні від роз'єму USB дозволило поява специфікації USB Battery Charging. Перша версія вийшла в 2007 році. Вона допускала наявність спеціально позначених роз'ємів USB-A з максимальним струмом до 1,5 А.

Також вирішувалися подібні роз'єми з непідключеними лініями даних на зарядний пристрій. Такі пристрої розпізнавалися по замкнутим між собою контактам D + і D-, і їх роз'єми допускали ток до 5 А.

Після певних доопрацювань був прийнятий новий стандарт - USB Power Delivery (USB PD), який передбачав можливість підвищувати напругу з метою передати через сполучний кабель більшу потужність. Чим була викликана необхідність збільшення напруги?

Як видно з ТХ, в смартфонах все частіше використовуються акумулятори ємністю понад 3000 мАг. Це означає, що зовнішнє пятівольтового зарядний пристрій повинен видавати співмірні струми. А в прискореному методі ці струми можуть бути значними. Зробити таку зарядку на сучасній елементній базі не проблема, а ось відчутних втрат в сполучному кабелі при збільшеному струмі не уникнути. Згідно із законом Ома, вони будуть більше при великому струмі. Сам роз'єм USB може теж не «потягнути» такий струм без помітного нагрівання контактів (читай - втрат на них). Тому, не збільшуючи струми до «позамежних» величин, передати збільшену потужність можна шляхом підвищення напруги. Звернемося до формули, яка визначає потужність: P = U * I, де U і I - відповідно напруга і струм. При стандартній пятівольтового зарядці потужність, наприклад, 20 Вт можна отримати при струмі 4 А, а збільшивши напругу до 12 В - вже при струмі трохи більше 1.6 А. До того ж, з огляду на внутрішній опір акумулятора, значно збільшити струм заряду від пятівольтового адаптера не вдасться через малу різницю між напругою зарядного пристрою і напругою акумулятора.

Не вдаючись в технічні подробиці, скажу, що USB PD першої ревізії (Rev.1) має кілька профілів електроживлення і допускає збільшення напруги (від стандартних 5В) до 12 або 20 В. При цьому максимальна потужність через USB роз'єм зростає до 100 Вт. У наступній ревізії - USB PD Rev.2 вибір максимальної потужності виробляється більш гнучко. Дана ревізія вже пов'язана з USB 3.1 і новим роз'ємом USB Type-C.

Природно, що зарядний пристрій і споживач струму (смартфон або інший гаджет) повинні провести діалог і визначити можливість передачі або прийому такої потужності. Часто виробники електроніки самі виробляють методи такого визначення. Як правило, наявність конкретного опору або напруги між шинами D + і D-, іноді інші варіанти перемикають зарядний пристрій в режим швидкого заряду. При цьому, використовуючи стандартний USB, смартфон заряджається зниженим струмом.

На даний момент, крім USB PD, поширені і інші, відмінні від цього стандарту технології швидкого заряду.

Компанія Qualcomm запропонувала технологію Quick Сharge 1.0. Вона дозволяє проводити заряд з вихідними характеристиками зарядного пристрою 5V / 2A (потужність 10W). Удосконалена Quick Сharge 2.0 передбачає заряджати струмами до 3 ампер і напругою 5/9/12 вольт.

Чергова модифікація технології швидкого заряду - Quick Charge 3.0. Її особливість в інтелектуальному підборі оптимального напруги заряду (INOV). Напруга підбирається індивідуально від 3,6 до 20 вольт для кожного пристрою і проміжку процесу зарядки. Мінімальний крок зміни напруги - 200 мВ. Розробник Qualcomm обіцяє, що нова версія «швидкої зарядки» буде на 38% ефективніше, ніж Quick Сharge 2.0. згідно прес-релізу Qualcomm , Технологія Quick Charge 4 дозволить заряджати ще швидше і усуне несумісність з USB PD.

Намагаються не відставати і MediaTek. За їх заявою, використовуючи технологію MediaTek Pump Express 3.0, «акумулятор сучасного пристрою можна зарядити від 0 до 70% всього за 20 хвилин».

Але електронна начинка смартфона повинна бути пристосована для таких варіантів швидкого заряду. Крім цього, аксесуари (кабель, зарядні пристрої) повинні мати повну сумісність. Необхідно відзначити, що виробники все частіше використовують в своїх розробках, зокрема, в швидких зарядний пристрій, роз'єм USB Type-C, який підтримує USB 3.1 з максимальною швидкістю 10 Гбіт і більш високу напругу 20 В і струм 5А, відповідно, потужність 100 Вт . Він легше підключається до пристрою завдяки своїй симетричності. Але деякі нестандартні кабелі та перехідники зі штекером Type-C і гніздом стандартів A або micro-B на іншому кінці перешкоджають коректному визначенню допустимої потужності, що може пошкодити джерела живлення або USB-порти комп'ютера. До того ж корпорація Google в документі Compatibility Definition Document (CDD) Android 7.0 Nougat пише:

«Пристроям з роз'ємом USB-C НАСТІЙНО РЕКОМЕНДУЄТЬСЯ не підтримувати пропрієтарні способи зарядки, які використовують напругу, відмінне від стандартних значень ... оскільки це може привести до проблем сумісності з зарядними пристроями та аксесуарами, які підтримують стандарт USB Power Delivery».

Схоже, Google передбачає, що USB PD стане стандартом швидкої зарядки для смартфонів з роз'ємом USB Type-C.

Природно, через економію часу швидка зарядка приваблива, але для мене залишається відкритим питання про довговічність акумуляторів після такого форсованого заряду і його безпеку. Ряд користувачів помічають зменшення ємності акумуляторів, заряджених прискореним методом. Однак у них чимало опонентів, які не відзначають погіршення параметрів акумуляторів, такої ж думки дотримуються і виробники мобільних пристроїв. Доцільним, мабуть, буде використовувати можливість включення або відключення функції швидкого заряду на розсуд користувача.

Андрій Білих

Поділитися:

Ми в соціальних мережах:

Є, що додати ?! Пишіть ... [email protected]