Kolik voltů je v mobilním telefonu?

Rychlý vývoj mobilních komunikačních zařízení a dalších mobilních přístrojů vedl k různým zdrojům energie a jejich „nositelným“ možnostem – bateriím, a tedy nabíječkám. V článku se pokusím shrnout údaje o různých autonomních zdrojích proudu a způsobech jejich provozu, především nabíjení. Vzhledem k tomu, že recenze byla sestavena především pro uživatele moderní elektroniky, a nikoli pro specialisty, budou některé body pokryty poněkud zjednodušeně.

Baterie se zpravidla používají jako zdroje energie v moderních mobilních zařízeních. První mobilní telefony běžně používaly alkalické baterie: nikl-kadmiové (Ni-Cd) a nikl-metal hydridové (Ni-MH). Jejich jmenovité napětí je relativně nízké (1.2 V). Proto, aby bylo dosaženo provozních 3.6 – 6 voltů, byly sestaveny do baterií sestávajících z 3-5 baterií. V současné době jsou tyto zdroje často prezentovány ve formě válcových uzavřených baterií velikosti AA nebo AAA pro napájení radiotelefonů, fotoaparátů a lékařských přístrojů.

I když mají řadu kladných vlastností, přirozeně mají i nevýhody. Za prvé je to docela těžké, výrazné samovybíjení, „paměťový efekt“ – snížení kapacity s opakovaným neúplným (více než 30%) vybitím. Kapacita (C) baterie ukazuje, jak dlouho trvá vybití jmenovitého proudu z plně nabitého stavu do úplného vybití. Měří se v ampérhodinách (Ah) nebo miliampérhodinách (mAh; na dovážených bateriích je označení mAh).

C=Inom*t

Pokud se tedy například čerstvě nabitá baterie vybije proudem 200 mA až do úplného vybití do 5 hodin, bude její kapacita 1000 mAh. První „mobilní telefony“ měly nejoblíbenější kapacitu baterie 600 – 900 mAh. Elektronický obsah telefonů však nebyl tak energeticky náročný, takže jejich provozní doba od nabití po nabití byla několik dní.

Standardní nabíjení baterií tohoto typu je proudem 0.1C po dobu 14-16 hodin (pomalé nabíjení). V tomto případě je řízena pouze doba nabíjení, kterou lze prodloužit bez poškození baterie.

Pro mírné urychlení nabíjení (až 6-7 hodin), řízení pouze času, je u většiny těchto zdrojů možné zvýšením nabíjecího proudu na 0.2C. Častěji se ale používá rychlonabíjení proudem 0.3C – 0.5C po dobu 2.5 – 3.5 hodiny. V tomto případě se důrazně doporučuje sledovat nabíjecí proud, napětí baterie (nebo spíše jeho pokles na konci nabíjení, tzv. „-ΔU“) a teplotu, protože se výrazně zvyšuje, zejména na konci. poplatku. Tyto parametry jsou zpravidla sledovány automatickou („inteligentní“) nabíječkou pomocí specializovaných mikroobvodů. Pro další bezpečnost jsou v samotných bateriích zabudovány tepelné pojistky.

Postupem času začal být tento typ sekundárního napájení nahrazován lithium-iontovými (Li-Ion) a lithium-polymerovými bateriemi. Mají výrazně nižší samovybíjení, vyšší specifickou kapacitu a tím pádem i nižší hmotnost a téměř úplně chybí „paměťový efekt“. Proto se zaslouženě používají v moderních zařízeních, zejména v chytrých telefonech (to však neznamená, že tento typ napájení nemá žádné nevýhody). Jmenovité napětí takových baterií je různé, 3.6 – 3.7 V, stejně jako způsoby nabíjení. Nejběžnější standardní algoritmus je následující: první stupeň se nabíjí stabilním proudem cca 0.5 – 1C na napětí 4.2 V. Po dosažení této hodnoty začíná druhý stupeň – s konstantním napětím, dokud proud neklesne na 3 -5 % původní hodnoty. V zásadě lze druhý stupeň vyloučit, ale pak se baterie nabije na 70-80 % maximální hodnoty.

V každém případě je hlavním postulátem pro Li-Ion a Li-Po baterie nabíjení omezeným proudem na napětí nepřesahující 4.2 V. Lithiové baterie nelze přebíjet a maximální úroveň nabití na nich by neměla překročit tuto hranici. . Přesnost sledování tohoto napětí je vysoká – ne horší než 0.05 V. Nedodržení této podmínky je spojeno s zahříváním, „nafouknutím“ baterie a odtlakováním. Pro zajištění bezpečného provozu jsou proto uvnitř bateriových sestav regulátory, které vypínají baterii při překročení napětí během nabíjení i při jeho poklesu na minimální hodnotu při hlubokém vybíjení. V závislosti na doporučeních výrobce (především průmyslové baterie a vojenské aplikace) lze přípustné napětí snížit na 4.1 – 4.15 V.

U některých nabíječek se proud nestane maximem okamžitě, ale postupně se zvýší na maximum během několika minut – používá se plynulý start („soft start“). Rovněž je nutné snížit proud při nabíjení silně vybité (na úroveň pod 2.8-3.0 V) baterie. Například Siemens nabízí pro své baterie následující algoritmus: první stupeň je nabíjení proudem 20 mA na napětí 2.8 V, poté 50 mA až 3.2 V, třetí stupeň je normální nabíjení. Nedodržení této podmínky může vést přinejmenším k selhání baterie. Je třeba poznamenat, že hluboké vybití má negativní dopad na „vitalitu“ lithium-iontových baterií a mimochodem, ne všechny nabíječky poskytují nabíjení při napětí nižším než 2.5 – 2.8 V.

Je snadné pochopit, že doba se standardním nabíjením je minimálně 2 – 3 hodiny. Zdá se, že tento čas lze zkrátit zvýšením nabíjecího proudu. Jenže ve skutečnosti to tak jednoduché není. Napětí nabíječky (síťového adaptéru) 5 V nebylo zvoleno náhodou – to je napětí USB portu, přes který lze i nabíjet. Je pravda, že zpočátku byl podle specifikace USB 2.0 jeho výstupní proud omezen na 500 mA a port USB 3.0 byl omezen na 900 mA. Připomínám, že USB kabel (do 2.0 včetně) se skládá ze 4 měděných vodičů – 2 silových vodičů a 2 datových vodičů D+ a D- a uzemněného kovového opletu (stínění). V souladu s tím má konektor také kontakty stejného jména jako kabel. Ve specifikaci USB 3.0 jsou konektory a kabely kompatibilní s USB 2.0 a pro účely identifikace jsou konektory USB 3.0 obvykle vyrobeny z modrého plastu. Při bližším zkoumání můžete vidět, že konektor USB 3.0 má další kontakty, které se při připojení ke kabelu USB 2.0 nepoužívají.

U „správně“ fungujících zařízení, pokud odběr proudu překročí, USB port sníží napětí nebo jej úplně vypne (vestavěná ochrana proti přetížení portu).

Vznik specifikace USB Battery Charging nám umožnil systematizovat situaci při napájení z USB konektoru. První verze byla vydána v roce 2007. Umožnil speciálně určené konektory USB-A s maximálním proudem až 1,5 A.

Povoleny byly i podobné konektory s nezapojenými datovými linkami na nabíječkách. Taková zařízení byla rozpoznána podle uzavřených kontaktů D+ a D- a jejich konektory umožňovaly proud až 5 A.

Po určitých úpravách byl přijat nový standard – USB Power Delivery (USB PD), který umožňoval zvýšit napětí za účelem přenosu většího výkonu přes propojovací kabel. Co způsobilo potřebu zvýšit napětí?

Jak je vidět z TX, smartphony stále častěji využívají baterie s kapacitou více než 3000 mAh. To znamená, že externí pětivoltová nabíječka musí produkovat srovnatelné proudy. A ve zrychlené metodě mohou být tyto proudy významné. Udělat takový náboj pomocí moderní elementové základny není problém, ale znatelným ztrátám v propojovacím kabelu se zvýšeným proudem nelze vyhnout. Podle Ohmova zákona budou větší při vyšším proudu. Samotný USB konektor také nemusí být schopen „vytáhnout“ takový proud bez znatelného zahřívání kontaktů (čti: ztráty na nich). Bez zvýšení proudů na „přemrštěné“ hodnoty lze tedy přenášet zvýšený výkon zvýšením napětí. Přejděme ke vzorci, který určuje výkon: P=U*I, kde U a I jsou napětí a proud. Při standardním pětivoltovém nabíjení lze získat výkon např. 20 W při proudu 4 A a zvýšením napětí na 12 V při proudu něco málo přes 1.6 A. Navíc s přihlédnutím k vnitřnímu odporu baterie, nebude možné výrazně zvýšit nabíjecí proud z pětivoltového adaptéru z důvodu malého rozdílu mezi napětím nabíječky a napětím baterie.

Aniž bych zacházel do technických podrobností, řeknu, že USB PD první revize (Rev.1) má několik profilů napájení a umožňuje zvýšení napětí (ze standardních 5V) na 12 nebo 20 V. maximální výkon přes USB konektor se zvýší na 100 W. V další revizi – USB PD Rev.2 je volba maximálního výkonu flexibilnější. Tato revize je již spojena s USB 3.1 a novým konektorem USB Type-C.

Nabíječka a aktuální spotřebitel (smartphone nebo jiný gadget) samozřejmě musí vést dialog a určit možnost přenosu nebo příjmu takové energie. Výrobci elektroniky často sami vyvíjejí metody pro takové určení. Typicky přítomnost specifického odporu nebo napětí mezi kolejnicemi D+ a D-, někdy jiné možnosti přepnou nabíječku do režimu rychlého nabíjení. Zároveň se pomocí standardního USB nabíjí smartphone sníženým proudem.

V současné době jsou kromě USB PD běžné i jiné technologie rychlého nabíjení než tento standard.

Qualcomm navrhl technologii Quick Charge 1.0. Umožňuje nabíjení s výstupní charakteristikou nabíječky 5V/2A (výkon 10W). Vylepšené Quick Charge 2.0 předpokládá nabíjení proudy až 3 ampéry a napětím 5/9/12 voltů.

Další modifikací technologie rychlého nabíjení je Quick Charge 3.0. Jeho funkcí je inteligentní výběr optimálního nabíjecího napětí (INOV). Napětí se volí individuálně od 3,6 do 20 voltů pro každé zařízení a dobu nabíjení. Minimální krok změny napětí je 200 mV. Vývojář Qualcomm slibuje, že nová verze „rychlého nabíjení“ bude o 38 % účinnější než Quick Charge 2.0. Podle tiskové zprávy Qualcommu technologie Quick Charge 4 umožní ještě rychlejší nabíjení a odstraní nekompatibilitu s USB PD.

Držet krok se snaží i MediaTek. Podle nich lze pomocí technologie MediaTek Pump Express 3.0 „baterii moderního zařízení nabít z 0 na 70 % za pouhých 20 minut“.

Pro takové možnosti rychlého nabíjení ale musí být uzpůsobeny elektronické součástky smartphonu. Kromě toho musí být příslušenství (kabel, nabíječky) plně kompatibilní. Je třeba poznamenat, že výrobci stále častěji ve svých návrzích, zejména u rychlonabíječek, používají konektor USB Type-C, který podporuje USB 3.1 s maximální rychlostí 10 Gbps a vyšším napětím 20 V a proudem 5A, respektive výkon 100 W . Snáze se připojuje k zařízení díky své symetrii. Některé nestandardní kabely a adaptéry se zástrčkou typu C a zásuvkou A nebo micro-B na druhém konci však brání správnému určení přípustného výkonu, což může poškodit napájecí zdroje nebo USB porty počítače. Kromě toho Google v dokumentu Compatibility Definition Document (CDD) Android 7.0 Nougat píše:

„Zařízení USB-C DŮRAZNĚ DOPORUČUJEME, aby nepodporovala proprietární metody nabíjení, které používají nestandardní napětí. protože to může způsobit problémy s kompatibilitou s nabíječkami nebo příslušenstvím, které podporuje standard USB Power Delivery.“

Zdá se, že Google naznačuje, že USB PD se stane standardem rychlého nabíjení pro smartphony USB Type-C.

Přirozeně z důvodu úspory času je rychlé nabíjení atraktivní, ale pro mě zůstává otevřená otázka výdrže baterií po takovém nuceném nabití a jeho bezpečnosti. Řada uživatelů zaznamenává pokles kapacity baterií nabíjených zrychlenou metodou. Mají však mnoho odpůrců, kteří zhoršení parametrů baterie nezaznamenávají, stejný názor sdílejí i výrobci mobilních zařízení. Asi by bylo vhodné využít možnost zapnout či vypnout funkci rychlého nabíjení dle uvážení uživatele.

Andrej Belykh

Zveřejněno – 07. března 2017