Как устроена зарядка для телефона

Как работают зарядные устройства для телефонов?

Большинство из нас каждый день используют зарядное устройство для телефона. За последние несколько лет этот аксессуар претерпел значительные изменения. В первую очередь, производители начали стандартизировать зарядные устройства, которые не так давно существенно различались в зависимости от конкретной модели смартфона. Также были созданы новые типы оборудования, благодаря которому мы можем заряжать смартфоны по-новому.

Из чего состоит зарядное устройство?

БП для телефона подключается к электрической розетке, напряжение которой составляет 230 В. Зарядное устройство помимо блока состоит из USB-кабеля, который подключается непосредственно к мобильному устройству. Можно выделить моноблочные варианты ЗУ, в которых зарядный кабель постоянно подключен к источнику питания. Однако сегодня популярны аксессуары, которые состоят из отдельного адаптера и подключаемого к нему USB-кабеля.

Как работает сетевое зарядное устройство

Зарядки для телефонов работают по простому принципу, преобразуя переменный ток в постоянный. Они регулируют напряжение, с которым может работать смартфон. Таким образом, из входного напряжения, обеспечиваемого электрической розеткой (230 В), они создают выходное напряжение, например, 5 или 9 В. Специальный регулятор в зарядном устройстве также участвует в ограничении силы тока.

Различные стандарты разъемов USB

USB-коннекторы отдельных зарядных устройств могут отличаться в зависимости от производителя и поколения самого телефона. Однако в последнее время они полностью сведены к единому стандарту Type-C. До этого старые смартфоны с операционной системой Android использовали разъем microUSB, iPhone комплектовали разъемом Lightning. А еще более “древние” устройства Apple использовали широкий 30-контактный разъем.

Напряжение и сила тока

Зарядные устройства для телефонов отличаются и по другим параметрам. Наиболее важные из них — это напряжение и сила тока. Они напрямую связаны со временем зарядки нашего смартфона. Чем выше эти показатели, тем быстрее заряжается устройство, так как больше мощность. Однако телефон должен быть технологически адаптирован к этому. В противном случае он может перегреться и выйти из строя. Поэтому начали создаваться мобильные аппараты, поддерживающие различные типы технологий быстрой зарядки, такие как Quick Charge, SuperCharge или Power Delivery. Зарядные устройства также сделаны по тем же стандартам.

Дополнительные функции

Современные адаптеры питания для портативного оборудования не только поддерживают технологию быстрой зарядки, но и обладают другими дополнительными удобствами. В настоящее время в большом количестве производятся адаптеры, которые имеют несколько входов USB, часто разных стандартов. Благодаря этому мы можем зарядить несколько смартфонов одновременно, используя одну электрическую розетку или место в удлинителе. У нас также есть возможность приобрести зарядные устройства для телефонов с нестандартным длинным USB-кабелем, например длиной свыше одного метра.

Как работает быстрая зарядка в телефоне

Раньше мы рассказывали, как работает беспроводная зарядка. Теперь настало время быстрых зарядок — как они работают, за счёт чего достигается скорость и какие телефоны с этой зарядкой не совместимы.

О чём речь

Почти все современные телефоны поддерживают стандарт быстрой зарядки Quick Charge, он же QC. А на переносных аккумуляторах можно часто увидеть значок Power Delivery. Все эти знаки говорят нам, что смартфон можно зарядить плюс-минус за полчаса или даже быстрее, а в иных случаях можно зарядить даже ноутбук.

Чтобы это работало, нужно чтобы этот стандарт одновременно поддерживали:

• телефон или ноутбук;
• зарядное устройство;
• кабель, по которому идёт зарядка.

Если одно из этих устройств быструю зарядку не поддерживает, то и заряжаться гаджет тоже быстро не будет.

План

Чтобы понять, как это хозяйство работает, нам нужно пройти такие этапы:

1. Как устроен аккумулятор и что нужно, чтобы заряжать его быстрее.
2. Как заряжали аккумуляторы до быстрой зарядки.
3. Что придумали и в чём был нюанс.
4. Как это происходит теперь.
5. Что будет дальше.

Принцип работы аккумулятора

В телефоне стоит аккумулятор — это устройство, которое накапливает электрический заряд и отдаёт его на работу смартфона.

Если сильно упростить, то аккумуляторы состоят из двух электродов и токопроводящей среды (электролита):

При подключении к аккумулятору электроприбора ионы с одного электрода начинают переходить к другому, и это создаёт нужное напряжение между ними:

При зарядке процесс идёт в обратную сторону: под действием внешнего тока ионы возвращаются обратно к первому электроду:

�� А вот главный секрет: чем большую силу тока в амперах мы прикладываем, тем быстрее ионы возвращаются на место. То есть, чтобы накачать аккумулятор электричеством быстрее, нужно просто залить в него больше электричества с большей силой.

Как было до быстрой зарядки

До распространения USB у каждого мобильного телефона были свои стандарты зарядки: инженеры сами решали, как запитывать свои телефоны, и делали для них собственные блоки питания. Это было неудобно: если у тебя «Филипс», то зарядное устройство от «Нокии» тебе может не только не подойти, но и в некоторых случаях сломать твой телефон.

Потом с начала 2000-х в разных странах стали принимать законы, которые обязывали производителей не выделываться, а ставить на свои телефоны USB-зарядку. Это была такая мера защиты потребителя — чтобы можно было купить телефон отдельно, зарядное устройство отдельно, а в случае чего зарядить телефон от компьютера.

Но в тот момент существовал стандарт, который ограничивал силу тока по USB. Устройства должны были работать под напряжением 5 вольт с максимальной мощностью 5 ватт (соответственно, они должны требовать силу тока 1 ампер, потому что 5 вольт × 1 ампер = 5 ватт). Позднее стандарт расширили и разрешили делать зарядные устройства до 10 ватт.

Получалось, что, если у тебя в телефоне аккумулятор на 2—3 тысячи миллиампер часов, на зарядку одним ампером нужно было 2—3 часа, двумя амперами — час-полтора. Всё равно довольно долго.

Что придумали

Инженерам было страшно неудобно, что по USB можно передавать так мало тока. Например, у тебя был ноутбук: чтобы он работал, тебе нужно было 45 ватт мощности — чтобы крутить вентиляторы, питать процессор и диски, светить большим экраном и издавать звуки. По USB ты его никак не запитаешь, нужен отдельный блок питания — а это неудобно.

Инженеры решили упростить себе жизнь: внести изменения в стандарт USB, чтобы он мог поддерживать не 5 и не 10 ватт, а 20, 50 или даже 100 Вт. Задел был на то, чтобы запитывать от USB более мощные устройства — те же ноутбуки.

Но была проблема: если одновременно во всём мире сказать, что теперь по USB идёт другой ток, то что делать со старыми устройствами? Например, если у вас старый телефон, который работает на 5 вольтах, а вы в него воткнёте зарядное устройство на 20 вольт — что с ним станет? В лучшем случае сгорят регуляторы напряжения и телефон выключится. В худшем — сгорит сам телефон.

Тогда придумали, что протокол USB будет умным: теперь между источником тока и приёмником тока будет диалог, типа такого:

— Бонжур. Я устройство с быстрой зарядкой, могу отдавать 5, 10, 15 и 19,5 вольта. Предельная мощность — 60 ватт. Н-н-нада?

— Да, здарова. Дай мне, пожалуйста, 15 вольт.

— На тебе 15 вольт. Приятной зарядки!

А если устройство старое, то диалог будет таким:

— Бонжур. Я устройство с быстрой зарядкой, могу отдавать 5, 10, 15 и 19,5 вольта. Предельная мощность — 60 ватт. Желаете?

— Похоже, вы не желаете. На всякий случай дам вам 5 вольт.

Как быстрая зарядка заряжает аккумулятор

И вот мы берём два устройства с контроллерами QuickCharge. Соединяем их проводом, в нём тоже есть контроллер. Три контроллера договариваются между собой, какой им сейчас нужен ток. Зарядное устройство даёт этот ток. Все счастливы.

Чтобы зарядка шла ещё эффективнее, телефон смотрит на показатели батареи и процент заряда, чтобы скорректировать ток. Например, в самом начале он может заряжать большим током, а потом постоянно его снижать, чтобы не навредить батарее. Но для этого зарядка тоже должна поддерживать плавное снижение отдаваемой мощности.

С каждой пятилеткой протоколы быстрой зарядки становятся всё более навороченными как на устройствах, так и на зарядниках. Например, компьютеры Apple в последней операционке изучают ваши привычки: во сколько вы ложитесь и встаёте. И чтобы не насиловать батарею всю ночь, они её нежно разряжают, а потом быстро её накачивают за час до вашего пробуждения. Батарее такое на пользу, а вы и не знали, что ваш ноут специально зарядился ровно к вашему пробуждению.

Требования к проводам

Если у вас зарядный провод рассчитан на 5 ватт, под нагрузкой 45 ватт он может перегреваться и плавиться. Поэтому теперь в провода тоже встраивают контроллеры, которые говорят зарядному устройству: «Я рассчитан максимум на такую-то нагрузку». Соответственно, зарядное устройство больше не отдаст.

Получается, что быстрая зарядка — это когда у нас три подходящих устройства, которые договорились между собой заряжаться на условных 20 вольтах, 3 амперах. Получается мощность 60 Вт — это в 12 раз больше, чем по стандартному USB. На такой мощности можно заряжаться в 12 раз быстрее.

Как быстрая зарядка влияет на аккумулятор (и что будет дальше)

Раньше из-за перегрузки аккумулятора он мог перегреться, выйти из строя или даже взорваться. Сейчас контроллеры постоянно следят за температурой и снижают ток, если идёт перегрев.

А ещё современные аккумуляторы спокойно выдерживают стандартные 500—800 циклов даже быстрой зарядки, поэтому вывод такой: если заряжать блоком питания из комплекта с телефоном, то быстрая зарядка не испортит ваш аккумулятор быстрее, чем обычная. Всё дело в количестве циклов и правильности работы алгоритмов.

Но в целом физика и химия аккумулятора всё ещё несовершенна: это всё ещё довольно примитивная технология, аккумуляторы имеют свойство изнашиваться и «стареть», для их производства нужны токсичные и редкоземельные элементы. Некоторые аккумуляторы натурально взрываются. Поэтому учёные очень серьёзно исследуют возможности альтернативных аккумуляторов — например на графене.

Наши внуки наверняка будут ходить с пластинчатыми аккумуляторами толщиной как наши кредитные карты, которые будут заряжаться от тепла и движения. И для них съёмный аккумулятор от «Нокии» будет выглядеть так же дико, как для нас выглядят «телефоны-кирпичи» из начала 1990-х. Но пока так. Берегите аккумы!

Что находится внутри современного кабеля для зарядки

Внутри современных кабелей для зарядки находится много разной электроники — кроме самих проводов там есть свои процессоры, оперативная память и даже некоторое подобие операционной системы. По аппаратной мощности железо современного провода для зарядки близко к тем компьютерам, с помощью которых запускали первые спутники и сажали корабли на Луну. Теперь копнём глубже.

Как устроен простейший провод для зарядки

Раньше в самых простых кабелях для зарядки было всего два провода — для плюса и минуса. Одним концом они уходили в блок питания, а другим — в телефон через специальный разъём. Блок питания готовил нужное напряжение и силу тока и отправлял их по проводам напрямую к батарее телефона. Это просто, надёжно, но сейчас этого уже недостаточно.

Ток поступал не сразу в батарею (хотя случалось и такое), а через контроллер. Это такая микросхема, которая встраивается в аккумулятор и следит за тем, как происходит зарядка и как ток в неё поступает. В самом простом случае контроллер отключал заряд, когда его уровень достигал нужного значения. Ниже мы разберём подробнее, как это работало тогда и сейчас.

Современным кабелям для зарядки только двух проводов уже недостаточно. Дело в том, что телефону во время заряда теперь нужно контролировать много разных параметров:

• регулировать силу тока и напряжение;
• следить за температурой аккумулятора и телефона;
• рассчитывать остаточное время зарядки;
• фильтровать и сглаживать всплески и перепады напряжения;
• проверять оригинальность самого провода и зарядного устройства.

Для этого в современные кабели для зарядки добавляют много разной электроники, которая позволяет за всем этим следить и всем этим управлять. Мы расскажем обо всём, что может быть в фирменном кабеле, но что будет конкретно в вашем проводе для зарядки — зависит от производителя и его технических возможностей.

Для сравнения: вот самый простой кабель для зарядки — у него почти нет электроники и ток поступает напрямую на контакты:

А вот оригинальный кабель — со встроенными контроллерами, которые следят за всеми параметрами заряда:

Зачем нужен контроллер батареи

Контроллер батареи не относится к содержимому кабеля для зарядки, но играет важную роль в этом процессе. Он находится на самой батарее, и от него зависит сила тока и напряжение, которые поступают в аккумулятор телефона. Распределять ток и напряжение нужно, чтобы батарея не перегревалась и заряжалась до нужного уровня. Технически без контроллера можно было бы обойтись, но тогда батарея быстро перегреется и может выйти из строя.

Самые простые контроллеры батареи просто останавливали зарядку, если ток не соответствовал нужным параметрам или батарея зарядилась полностью. Сейчас задачи контроллера выросли: он может послать сигнал в блок питания, чтобы он дал напряжение побольше или поменьше, если телефон поддерживает разные режимы зарядки. Ещё он следит за температурой, циклами заряда и общим состоянием батареи — это помогает оценить, на какое время хватит текущего заряда и насколько вообще изношена батарея.

А ещё контроллер батареи берёт на себя всю работу по управлению процессом зарядки, если заряжать телефон самым простым кабелем, где нет электроники, а есть только два провода для питания.

Чип контроля текущего заряда батареи

У большинства современных кабелей есть чипы, которые контролируют уровень текущего состояния батареи и определяют, насколько разряжен аккумулятор. Это синхронизирует работу телефона и зарядника, чтобы в режиме реального времени вычислять накопленный заряд и управлять напряжением на блоке питания, если он это поддерживает.

Например, контроллер текущего заряда «понимает», что батарея заряжена уже на 90%, поэтому остальные 10 процентов лучше зарядить током поменьше, чтобы продлить срок службы батареи. Он может отдать команду контроллеру напряжения, чтобы тот попросил блок питания снизить ток, если блок питания поддерживает такой режим.

Контроллер напряжения

Задача этого контроллера — регулировать напряжение, которое поступает от блока питания в телефон. Он обменивается сигналами с контроллером в телефоне и выбирает нужный режим зарядки.

Например, если контроллер соединяется с электроникой в телефоне и выясняет, что телефон поддерживает быструю зарядку, контроллер разрешает передавать в телефон высокое напряжение и увеличить силу тока. Телефон тоже умеет отдавать сигналы этому контроллеру: в зависимости от настроек железа телефон может попросить зарядное устройство дать ему конкретные значения тока и напряжения, чтобы зарядить батарею оптимальным образом.

Если микросхема в телефоне не узнает контроллер напряжения в кабеле, она перейдёт на самый щадящий режим подачи тока, чтобы не перегреть батарею, или откажется заряжаться.

Контроллер положения разъёма

Большинство современных разъёмов можно вставлять в телефон любой стороной, заряд всё равно пойдёт. За это отвечает контроллер положения разъёма, впаянный в микросхему зарядки. Когда штекер зарядного устройства подключают к телефону, контроллер определяет его положение и переключает ток на нужную сторону контактов.

Это не влияет на остальные параметры зарядки, но позволяет освободить неиспользуемые провода и использовать их, например, для передачи данных при подключении телефона к компьютеру.

Контроллер сертификации

Некоторые производители смартфонов ограничивают работу своих устройств только фирменными зарядками, чтобы избежать скачков напряжения и поломки телефона. В этом помогает контроллер сертификации — в него зашит уникальный идентификационный номер, прописанный в базе данных изготовителя. При подключении зарядки телефон считывает идентификатор чипа и ищет его в базе. Если номер найден, телефон начинает заряжаться. Если такого номера нет, на экране появляется уведомление «Данный кабель или аксессуар не сертифицирован», зарядки не происходит, так как телефон не соединился с зарядником.

Модуль памяти

При подключении кабеля телефон и зарядное устройство обмениваются данными, в том числе о том, какие параметры напряжения установлены в зарядке и какие — в телефоне. Модуль памяти запоминает параметры подключения, которые уже использовались в предыдущем сеансе зарядки, чтобы зарядить аккумулятор максимально быстро, но без лишней нагрузки.

Также в модуле памяти хранится уникальный ключ зарядного устройства, подтверждающий сертификацию, и предустановленные настройки от производителя — с какими силой тока и напряжением может работать зарядник. Туда же записываются временные настройки, которые позволяют контролировать работу других чипов в кабеле и обмениваться данными с телефоном.

Что в итоге

Внутри современных умных кабелей для зарядки спрятан целый микрокомпьютер. В результате обмена сигналов между телефоном и кабелем происходит быстрая зарядка, когда телефон получает нужный ток в нужный момент, или обычная, если нужных микросхем в кабеле нет.

Но главное, зачем нужна вся эта электроника, — сделать процесс заряда максимально безопасным для телефона и продлить срок службы аккумулятора.

Как работает беспроводная зарядка для телефона?

Чтобы зарядить телефон, достаточно положить его на платформу. Поступил звонок? — Можно снять, отойти от зарядки, поговорить, положить обратно. Удобно: не нужно несколько раз подключать и отключать кабель, расшатывая на аппарате разъем для питания. Что представляет собой устройство и как оно заряжает смартфон?

Технология беспроводной передачи энергии

Работа устройства основана на электромагнитной индукции. Чтобы запустить процесс, нужны две индукционные катушки: в зарядке — в качестве передатчика, в телефоне — в роли приемника. Когда зарядку включают в сеть, происходит следующее:

1. Магнитное поле возникает вокруг катушки-передатчика.
2. Электромагнитные волны в катушке-приемнике преобразуются в электричество, когда телефон попадает в зону действия магнитного поля.
3. Аппарат заряжается.

Между устройствами не должно быть больше 4 см. Это необходимо по главному стандарту передачи Qi. Стандарт применяют в iPhone, смартфонах Asus, Samsung, Nokia, Huawei, Xiaomi.
Из-за необходимости близко располагать катушки большинство беспроводных зарядных устройств изготавливают в виде платформ, на которые удобно класть телефон.

Особенности беспроводных зарядок

1. Шанс сохранить разъем для питания. Проводная зарядка быстрее расшатывает разъем. Владельцы смартфонов часто обращаются в ремонт телефонов в Минске с этой неполадкой.
2. Возможность использовать два способа зарядки. У большинства телефонов, поддерживающих стандарт Qi, предусмотрена и проводная зарядка.
3. Разнообразие моделей. Устройства оформляют в корпусы, оснащают подсветкой. Аппараты становятся оригинальным предметом интерьера.

1. Длительный период зарядки. Для полноценного заряда нужно в 1,5–2 раза больше времени.
2. Невысокий КПД. Показатель достигает 75%. У проводных — 97%.
3. Сильный нагрев смартфонов. Перегревание может спровоцировать поломку аккумулятора.
4. Дополнительные приспособления. Не все телефоны поддерживают стандарт Qi, поэтому нужно покупать адаптеры, чтобы добавить функцию беспроводной зарядки.

Когда устройства только появились на рынке, люди опасались, не вредны ли они для здоровья. Этот факт опровергли эксперты фирмы-разработчика — Wireless Power Consortium. Мощность зарядок — 5–15 Вт, для человека опасны приспособления в 120 Вт.