Какое напряжение должно быть на аккумуляторе планшета?

Какое напряжение Li-ion-аккумулятора лучше: 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В?

Какое значение лучше выбирать по напряжению Li-ion-аккумулятора в смартфоне? Ведь вариантов немало: 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В.

Напряжение на аккумуляторе указывается двух типов:

• • номинальное (то есть основное рабочее, указывается всегда);
• • максимальное (снижается ток, работает защита от перезаряда, иногда не указано — ниже объясним, почему).

Цифра в значении напряжения зависит от конструкции и типа электрохимической системы литиевого элемента. Узнайте, есть ли разница, и какие элементы лучше для надёжности, срока службы, быстрой зарядки и так далее.

Что означает напряжение Li-ion-аккумулятора смартфона «3,7В / 4,2В»?

Типовой вариант литий-ионных (и литий-полимерных) аккумуляторов с кобальтовым катодом (LCO) имеет напряжение на элемент:

• • 3,6В номинальное;
• • 4,2В максимальное.

Вот, как это напряжение влияет на работу литий-ионного аккумулятора:

• • Аккумулятор заряжается до 4,2В (индикация 100%);
• • Постепенно разряжаясь, он удерживает номинальное напряжение на уровне 3,6В (+/- 0,1В при токе разряда 0,2C-0,5C);
• • При остатке около 20% заряда от ёмкости напряжение падает до 3,0В;
• • Срабатывают алгоритмы контроля аккумулятора (например, управляющая плата BMS и аппаратно-программные средства смартфона — он выключается).
• • Срабатывает защита, когда напряжение падает до критического у Li-ion значения 3,0-2,75В (точная цифра зависит от материалов, задумки инженеров и сборки).

Сильно разряженный Li-ion-аккумулятор выключается после срабатывания защиты по нижнему порогу напряжения — размыкается цепь. Восстановить можно. Правда, понадобится специальное оборудование. И результат получится со значительной потерей ёмкости (глубокий разряд).

Исконно-номинальное значение напряжения Li-ion-аккумулятора 3,6В — до 3,7В его увеличили в маркетинговых целях за счёт понижения внутреннего сопротивления.

Диапазон напряжений 3,7-4,2В (рабочий ещё шире: 2,75В-4,2В) используется в литий-ионной технологии повсеместно (в элементах 18650, аккумуляторы в смартфонах, смарт-часах, планшетах, ноутбуках, электроинструменте, электротранспорте). Но встречаются и другие варианты.

Какое напряжение литий-ионного аккумулятора лучше?

Увеличение напряжения от штатных 3,6В добавляет мощности аккумулятору и увеличивает максимальную ёмкость при заряде выше 4,2В.

Однако перезаряд плохо сказывается на сроке службы и безопасности ячейки. Требуются другие материалы, более дорогое производство, чтобы снизить негативный эффект. Новые модели смартфонов могут предложить такие технологии, но стоят ли они усилий и переплаты?

Отличия, которые скрывают цифры по напряжению Li-ion-аккумулятора

Первое значение соответствует номинальному и указывается обязательно на всех ячейках. Второе значение указывается либо рядом, либо где-нибудь в описании характеристик на стикере с информацией. Притом найти его удаётся не всегда на корпусе ячейки (в таком случае считается, что оно штатное для технологии — 4,2В).

3,6В / 4,2В

Традиционные аккумуляторы (обычно с кобальтовым катодом). Исконные значения технологии Li-ion и Li-ion Polymer.

3,7В / 4,2В

Современный и наиболее распространённый вариант достигнут в маркетинговых целях («3,7В больше 3,6В») с небольшой доработкой материалов катода и анода (снижено внутреннее сопротивление).

3,75В / 4,2 или 4,25В

Компромисс между долговечностью, ёмкостью и мощностью, которым пользуются производители во флагманских и популярных моделях. Чтобы достичь большего максимального напряжения при заряде 4,25В поверхность катода покрывается специальными материалами (от грубого нанесения до структурного перекрытия оболочкой), разрабатываются добавки к электролиту.

3,8-3,85В / 4,35-4,4В

Новейшие разработки материалов (тонкоплёночные покрытия катода и добавки в электролит) позволяют заряжать аккумуляторы до 4,35 (+/-0,05В). Это увеличивает мощность (например, полезно для электромотора) и ёмкость (время автономной работы).

Они называются высоковольтовые элементы (LiHV или High Voltage Li-ion, например, HV-LIPO). Из особых требований — поддержка 4,4В со стороны зарядного устройства (должно быть правильно настроено по напряжению полной зарядки для дополнительной ёмкости).

Заряд до такого высокого напряжения, как 4,4В плохо влияет на долговечность. Даже с использованием новейших технологий защиты электродов от чрезмерного износа производитель получает ячейки, в которых уменьшается максимальное число циклов заряд-разряд. Для их работы требуются более ответственные меры, чтобы изделие соответствовало стандартам безопасности.

Интересно, что в Datasheet литий-ионных аккумуляторов 3,85В / 4,4В тестирование демонстрирует более экстремальный заряд до 4,6В. Это ещё сильнее увеличивает ёмкость и мощность.

Однако инженеры отмечают, что для безопасности заряда до такого высокого напряжения следует строго следить за повреждениями и вздутием. Если они есть, то так сильно заряжать нельзя, опасно.

Ответы на частые вопросы по напряжению Li-ion-аккумулятора

Срок службы батареи Li-ion согласован с моральным устареванием модели смартфона. В связи с этим фактом, короткий цикл жизни элемента питания с точки зрения производителей вполне приемлем. Почему бы и не увеличить циферку в ёмкости пусть и немного за счёт срока службы?

На практике мы сталкиваемся с определёнными эффектами при использовании разных напряжений аккумуляторов в одном и том же смартфоне. Возникают популярные вопросы, на которых хотелось бы дать краткие ответы.

Вопрос 1: Напряжение 4,35В или 4,4В действительно лучше, чем 4,2В?

Ответ: Да, это даст больше ёмкости на первые 50-100 полных циклов заряд-разряд (и мощности, например, для мотора в электроинструменте). Далее у двух аккумуляторов 4,35В и 4,2В ёмкость фактически сравняется — «карета превратится в тыкву». В теории срок службы аккумулятора, который продолжают перезаряжать выше 4,2В, будет меньше. Но если не заряжать его выше 80%, то, вероятно, он прослужит даже больше [тезис аргументирован, но требует практических испытаний].

Вопрос 2: Стоит ли искать только аккумуляторы с напряжением 4,2В?

Ответ: Нет, основывать свой выбор только на этой характеристике не стоит. Вы получите аккумулятор со сроком службы 500 полных циклов (на 100-150 циклов больше в сравнении с 4,4В), но с учётом быстрого морального устаревания смартфонов это преимущество может быть совершенно неважно (составит всего несколько месяцев от двух-трёх лет).

Вопрос 3: Есть ли разница между аккумуляторами 3,6В и 3,7В?

Ответ: Есть, но она фактически незаметна. Отличается внутреннее сопротивление, которое критично при определённых экстремальных обстоятельствах.

Вопрос 4: Есть ли разница между аккумуляторами 3,85В и 3,75В?

Ответ: Есть, и довольно большая. Отличаются технологии производства и применения материалов для катода, анода и электролита. Они влияют на максимальный заряд, в том числе дают возможность безопасно заряжать до 4,4В (требуется соответствующая поддержка на заряднике). Это в свою очередь увеличивает максимальную ёмкость (Wh = Ah * V или Вт·ч = А·ч * В).

Вопрос 5: Есть ли разница между аккумуляторами 3,7В и 3,75В?

Ответ: Есть, и она практически незаметна, если производитель не указал максимальное напряжение 4,35В (тогда отличия будут, как в вопросе 4). Обычно на аккумуляторе 3,75В это значение не указывают (тогда считается 4,2В), реже вписывают «измеренное» максимальное напряжение 4,25В — является по сути маркетинговым ходом.

Вопрос 6: Есть ли ещё информация? Я не нашёл напряжение, которое указано на моём аккумуляторе.

Ответ: Могут встречаться промежуточные значения, вроде «3,82В». Это некие «измеренные» («rated voltage») цифры по номинальному напряжению после увеличения максимального напряжения заряда до 4,4В. Достаточно придерживаться указанной выше вилки, чтобы понимать разницу. Кратные напряжения, например, 11,1В говорят о составе батарейного блока из трёх подключённых между собой аккумуляторов 3,7В (3шт x 3,7В = 11,1В).

Напряжение Li-ion аккумулятора — это важная для инженеров характеристика, которую учитывают при концептуальное разработке коммерческого продукта (например, смартфона, планшета, электродрели). Параметры применения литий-ионной ячейки зависят от её максимального напряжения при зарядке, что достигается разными технологическими решениями.

Сейчас актуальны две разновидности максимального напряжения Li-ion:

• • 4,2В (исконное, штатное значение, иногда даже не указывается — и так понятно, аккумуляторы с отсечкой на 4,2В «живут» немного дольше);
• • 4,35В или 4,4В (элементы высокого напряжения или High Voltage Li-ion/LiPo, их срок службы уменьшен взамен на указанные выше преимущества).

Номинальное напряжение 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В, указанное на корпусе аккумулятора по сути не влияет на срок службы, если максимальное напряжение одинаковое (4,2В). Но может говорить о разных материалах, применяющихся для катода, анода и электролита.

Все утверждения, которые мы привели в этой статье, основаны на расчётах, исследованиях и тезисах Battery University. В ходе своей работы мы опирались на собственный опыт производства аккумуляторов литий-ионного типа в компании Neovolt.

Для дальнейшего самостоятельного изучения рекомендуем обратиться к научному исследованию: «Практическая оценка литий-ионных аккумуляторов» [опубликовано в ScienceDirect] — эта работа входит в национальную программу ключевых исследований и разработок Китая (грант №2016YFB0100100 )

Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в   и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Часть четвертая. Питание для планшета.

Часть четвертая. Питание для планшета.
На первый взгляд, вариантов питания планшета множество. В самом деле, заходим на известный сайт покупки китайских товаров, вводим в поисковую строчку фразу «dc-dc понижающий модуль» и дело в шляпе. Более 15000 предложений. Но подождите радоваться.
Во-первых, для корректной работы с нашей нагрузкой (в виде планшета), не все модули подходят.
Главный параметр выбора – по рабочему току. И тут наши друзья с поднебесной, часто приписывают своим модулям не существующие характеристики. Поэтому имеет смысл подбирать модуль с 1,5-2х кратным превышением по току. Поясню.
Например, Нексус 7, который мы разбирали в предыдущем отчете, в рабочем состоянии потребляет около 1А. Однако, при загрузке планшета, при увеличении яркости экрана, при работе большого количества фоновых служб/приложений и т.д, потребление планшета может подниматься до 1,5-1,7А. Исходя из этого, для Нексус 7 необходимо подбирать модуль с заявленными параметрами не менее 3А.
Также обращаем внимание на амплитуду пульсаций выходного напряжения и частоту работы DC-DC преобразователя. Очевидно, что для стабильной работы планшета нам нужен модуль с меньшей амплитудой пульсаций и более высокой частотой.
Во-вторых, чтобы обеспечить автоматизацию процессов, необходим четкий алгоритм последовательности включения/выключения различных управляющих сигналов. И модуля питания для этого недостаточно. Нужны управляющие команды, в виде логического нуля или единицы. Сбой в работе этой последовательности приводит к «зависанию», перезагрузкам и прочим неприятным моментам в работе планшета. Поговорим об этом подробнее. В самом примитивном виде формировать управляющие команды может простое реле. Оно коммутируют различные цепи и подают необходимые сигналы на планшет. Но использование электромеханических реле имеет массу негативных последствий. Габариты устройства резко увеличиваются. Зимой, контакты могут подмерзать и не всегда срабатывать. Кроме того, имеется «дребезг» на переходных процессах. Этих причин достаточно, что бы исключить реле из управления планшетом. Будем делать управление, собранное исключительно на транзисторах и смарт-ключах.
Тут хочу сделать лирическое отступление – у меня нет радиотехнического образования. Поэтому, с точки зрения инженера — радиоэлектронщика, схема может оказаться далеко не идеальной. Всё, чем делюсь – мое хобби, а результаты работы проверены на практике во многих изделиях.
Кто читал предыдущую часть, знает, что нам требуется управлять:
Режимом включения/выключения OTG, Режимом засыпания/просыпания планшета, Кнопкой аварийного включения/выключения устройства. А ещё требуется дополнительный источник питания, чтобы «обмануть» планшет. Он должен понимать, что находится на зарядке.
Управление зарядкой, режимом отг и пробуждением планшета должны выполняться в определенной последовательности, с необходимыми задержками. Для выполнения этих задач, некоторыми участниками форума были придуманы так называемые «умные блоки питания», внутри которых встроены контроллеры ATMEGA328 из arduino Pro Mini. Поразмыслив немного, пришел к выводу, что реализовать необходимый алгоритм задержек управляющих команд можно и без использования контроллера. Схема упроститься, а значит, уменьшатся размеры и собственное потребление БП. Моя схема БП собрана да двух DC-DC модулях с микросхемой МР1584 и работает не один год:

Внимание! На схеме +5В подается на 1-й контакт разъёма микро юсб в планшете. Перед подключением необходимо трижды убедиться в том, что на вашем планшете установлено ядро Elemental и включен режим работы»зарядка+юсб»

Кратко о функционале схемы. Понижающими преобразователями являются два модуля, собранные на MP1584. Подстрочные резисторы с модулей убраны. Вместо них установлены постоянные R4 и R8. При таких значениях, на выходе модулей имеем 4,4 и 5,4В соответственно. На второй контакт микросхемы (Enable) через сопротивление R2-R3, подается сигнал контрольного напряжения. При просадке АКБ автомобиля ниже 11,8В, микросхема отключает питание нагрузки. Порог выключения подбирается с помощью R2 и R3. Конденсатор С2 обеспечивает требуемую задержку включения модуля и исключает ошибки в работе алгоритма при просадке напряжения во время «кручения стартером». Требуемая задержка на выключение второго модуля обеспечивается конденсатором С1. Управление датчиком Холла осуществляется через VD2. R5 и R6 – делитель напряжения. В схеме ещё стабилитрон на 12В и конденсатор С3. Его задача обеспечить задержку выключения экрана при кратковременной пропаже ACC. Например, когда двигатель а/м заглох и вы снова его запустили. Таймер задержки на двух транзисторах управляет включением/выключением режима ОТГ. Смарт-ключ, BTS441 управляет включением/выключением изикап по входному напряжению 12В от лампы заднего хода.
Все вместе работает по следующему алгоритму:
При подключении схемы к бортовой сети автомобиля, с небольшой задержкой (R2C2), появляется напряжение 4,4В на контроллере батареи планшета. Планшет запитан и находится в выключенном состоянии. После включения зажигания или ACC, появится напряжение 5,4В на выход второго модуля. Поступит питание на хаб и на вход планшета (1-й контакт разъема микро юсб). По этому событию, сработает патч автовключения. Начнется загрузка планшета. В это время, на делителе R5R6 присутствует потенциал около 2,2-2,5В. Поэтому экран планшета активен. Через 6-8 сек после начала включения планшета, появится «земля» на управляющем проводе ОТГ. Задержка определяется параметрами C6R9. Активируется режим ОТГ. Если задержку не делать (или делать менее 6 сек), то режим отг, после включения планшета не активируется. По окончании загрузки, планшет готов к работе.
После остановки двигателя и выключения зажигания/АСС, модуль на 5,4В отключается, хаб обесточивается, режим ОТГ деактивируется. На делителе R5R6 (с небольшой задержкой С3), потенциал опустится до нуля. Через R6, масса подтягивается на управляющий провод датчика холла. Экран погаснет, планшет переходит в режим «сон». При выходе из режима «сон» не требуется 6-и секундной задержки на включение режима отг. Если вы снова заведете двигатель, например, после заправки, через 10 мин, то емкость C6 не успевает разрядиться и активация режима отг происходит быстрее. При включении зажигания/АСС, на делителе R5R6 появляется потенциал. Планшет просыпается, и сразу готов к работе. Полное выключение планшета происходит из режима «сон» с помощью приложения Таскер. В нем можно указать индивидуальные настройки пользователь на задержку полного отключения планшета (от 1 сек до нескольких месяцев). После полного отключения алгоритм процесса включения повторится.

Что делать, если планшетный компьютер не заряжается

Литиевые аккумуляторные батареи (АКБ) планшетов сохраняют работоспособность пока их напряжение находится в пределах 4,2 — 2,7v (у некоторых еще меньше — 4,1 — 3,3v). Напряжение 4,2 (4,1) вольта — соответствует уровню заряда 100% (максимальному), а 2,7 (3,3) вольт — 0% (минимальному).

Чтобы батарея могла заряжаться, уровень ее напряжения не должен падать ниже определенного порога, который соответствует примерно 2 — 6% заряда. Это составляет около 3,0 — 3,7v. В случаях, когда напряжение опускается ниже этих показателей, контроллер АКБ уходит в блокировку, и зарядка от источника питания становится невозможной. Соответственно, планшет при этом нельзя ни включить, ни зарядить.

Надо сказать, что ситуация чрезмерной разрядки АКБ не такая редкая. По хорошему, при достижении нижнего порога заряда гаджет должен автоматически выключаться, но так бывает не всегда.

Если у вас возникла такая проблема, не торопитесь сломя голову в сервисный центр. Во многих случаях это легко лечится в домашних условиях. Сейчас разберемся, как «насильственно» зарядить переразряженную батарею.

Вам потребуется

• Ненужное зарядное устройство от сотового телефона.
• Мультиметр (вольтметр).
• Инструменты для вскрытия корпуса планшета: отвертки т2 -т6 (звездочки), приспособление для отщелкивания защелок (подойдет жесткая пластиковая карта, тонкая линейка и т. п.).
• Скотч.

Этапы работы

1. У зарядного устройства обрежем штекер для подключения к телефону, снимем с провода оплетку сантиметров на 5 — 6 и на 3 — 5 мм оголим медные жилы.

2. Убедимся, что ЗУ исправно — включим его в розетку и с помощью вольтметра замерим напряжение.

3. Берем в руки планшет. Мой подопытный — 7-дюймовый китайский девайс марки Freelander с одним аккумулятором.

Чтобы добраться до АКБ, придется снять заднюю крышку. Бывает, что она крепится винтами, тогда понадобится отвертка. В моем случае крышка держится только на защелках.

Аккуратно просовываем инструмент в щель между передней и задней половинками планшета, и ведем им вдоль периметра.

4. После разъединения половинок осторожно отсоединяем шлейфы сенсорного экрана.

5. Подбираемся к батарее, а точнее — к ее клеммам, куда припаяны провода. Красный провод — плюс, черный — минус, желтый — вывод контроллера АКБ (он нам не нужен).

6. Замеряем уровень напряжения. Красный щуп тестера ставим на клемму красного провода, черный — на черного. В моем примере напряжение равно 3,3v.

7. Теперь с помощью скотча подклеиваем проводки зарядного устройства к клеммам АКБ (плюс к плюсу, минус к минусу) и включаем зарядку в розетку.

При желании проводки можно подпаять — это улучшит контакт и ускорит процесс заряда, но мне лень было возиться.

8. Ждем минут 5 — 10, потом с помощью вольтметра проверяем, как идет зарядка (напряжение должно увеличиться).

Когда уровень напряжения достигнет 3,5 -3,7v, снимаем конструкцию и подключаем планшет к источнику питания через разъем.

9. Убеждаемся, что АКБ начала заряжаться, после этого собираем планшет в обратной последовательности. Не забываем заизолировать клеммы.

10. Включаем планшет. Всё заработало.

Вот так примерно за 30 минут мне удалось зарядить мертвую АКБ подопытного девайса и заставить его включиться.

Скажу сразу, что этот способ — не панацея. Во многих случаях он эффективен, но в некоторых — нет. Если такой метод зарядки оказался бесполезным — возможно, батарея умерла окончательно и требуется ее замена.

Стандартные и быстрые методы заряда аккумуляторов мобильных устройств

Бурное развитие аппаратуры сотовой связи и других мобильных гаджетов привело к многообразию источников питания и их «носимых» вариантов – аккумуляторов и, соответственно, зарядных устройств. В статье я попытаюсь обобщить данные о различных автономных источниках тока и методах их эксплуатации, в первую очередь заряда. Так как обзор составлен, прежде всего, для пользователей современной электроники, а не для специалистов, некоторые моменты будут освещены несколько упрощенно.

В качестве источников питания в современных мобильных устройствах используются, как правило, аккумуляторы. В первых сотовых телефонах широко применялись щелочные аккумуляторы: никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металл-гидридные (Ni-MH). Их номинальное напряжение относительно низкое (1.2 В). Поэтому для достижения рабочих 3.6 — 6 вольт они собирались в батареи, состоящие из 3-5 аккумуляторов. В настоящее время такие источники представлены чаще в виде цилиндрических герметичных аккумуляторов типоразмера АА или ААА для питания радиотелефонов, фотоаппаратов, медицинских устройств.

Обладая рядом положительных качеств, они, естественно, имеют и недостатки. В первую очередь, это довольно большой вес, существенный саморазряд, «эффект памяти» — снижение ёмкости при повторяющемся неполном (более 30%) разряде. Ёмкость (С) аккумулятора показывает, за какое время он разрядится номинальным током от полностью заряженного состояния до полного разряда. Измеряется в ампер-часах (Ач) или миллиампер-часах (мАч, на импортных аккумуляторах обозначение – mAh).

Так, например, если свежезаряженная батарея будет разряжаться током 200 мА до полного разряда в течение 5 часов, то ее емкость составит 1000 мАч. У первых «мобильников» наиболее «ходовая» ёмкость батарей была 600 — 900 мАч. Впрочем, электронная начинка телефонов была не такой прожорливой, поэтому время их работы от заряда до заряда составляло несколько суток.

Стандартным для аккумуляторов этого типа является заряд током 0.1С в течение 14-16 часов (медленный заряд). При этом контролируется только время заряда, которое может быть увеличено без ущерба для аккумулятора.

Немного (до 6-7 часов) убыстрить заряд, контролируя только время, для большинства таких источников можно, увеличив ток заряда до 0.2С. Но чаще применяется быстрый заряд током 0.3С — 0.5С в течение 2.5 — 3.5 часов. При этом настоятельно рекомендуется контролировать ток заряда, напряжение аккумулятора (а вернее, его падение в конце заряда, так называемое «-ΔU») и температуру, так как она значительно увеличивается, особенно в конце заряда. Как правило, за этими параметрами следит автоматическое («интеллектуальное») зарядное устройство с применением специализированных микросхем. Для дополнительной безопасности в сами батареи встраиваются термопредохранители.

Со временем этот тип вторичных источников питания стал вытесняться литий-ионными (Li-Ion) и литий-полимерными аккумуляторами. У них значительно меньший саморазряд, большая удельная ёмкость, а соответственно, и меньший вес, практически полностью отсутствует «эффект памяти». Поэтому они заслуженно используются в современных девайсах, в частности, в смартфонах (правда, это не говорит об отсутствии недостатков, присущих этому типу источников питания). Номинальное напряжение таких аккумуляторов иное, 3.6 — 3.7 В, как и методы заряда. Наиболее распространен следующий стандартный алгоритм: первый этап – заряд стабильным током величиной около 0.5 — 1С до напряжения 4.2 В. После достижения этого значения начинается второй этап – постоянным напряжением, пока ток не уменьшится до величины 3-5% от первоначального значения. В принципе, второй этап можно исключить, но тогда аккумулятор будет заряжен на 70-80% от максимальной величины.

В любом случае основной постулат для Li-Ion и Li-Po аккумуляторов – это заряд ограниченным током до напряжения не выше 4.2 В. Литиевые аккумуляторы не терпят перезаряда, и максимальный уровень заряда на них не должен превышать этот порог. Точность отслеживания этого напряжения высока – не хуже 0.05 В. Несоблюдение этого условия чревато нагревом, «раздутием» аккумулятора и разгерметизацией. Поэтому внутри аккумуляторных сборок для обеспечения безопасной эксплуатации находятся контроллеры, отключающие аккумулятор в случае превышения напряжения во время заряда, а также понижения его до минимальной величины при глубоком разряде. В зависимости от рекомендаций производителя (в первую очередь промышленных аккумуляторов и военного назначения) допустимое напряжение может быть уменьшено до 4.1 — 4.15 В.

В некоторых зарядных устройствах ток максимальным становится не сразу, а постепенно нарастает до максимума за несколько минут – используется плавный пуск («софт-старт»). Необходимо также уменьшить ток при заряде сильно разряженного (до уровня ниже 2.8-3.0 В) аккумулятора. Например, Siemens для своих батарей предлагает следующий алгоритм: первый этап – заряд током 20 мА до напряжения 2.8 В, затем 50 мА до 3.2 В, третий этап – нормальный заряд. Несоблюдение этого условия может привести как минимум к выходу аккумулятора из строя. Необходимо отметить, что глубокий разряд отрицательно сказывается на «жизнеспособности» литий-ионных аккумуляторов, и, к слову, не все зарядные устройства обеспечивают зарядку при напряжении на них меньше 2.5 — 2.8 В.

Несложно понять, что время при стандартном заряде составляет не менее 2 — 3 часов. Казалось бы, уменьшить это время можно, увеличив ток заряда. Но на деле не все так просто. Напряжение зарядного устройства (сетевого адаптера) 5 В выбрано не случайно – это напряжение порта USB, через который можно также производить заряд. Правда, первоначально по спецификации USB 2.0 его выходной ток был ограничен уровнем 500 мА, а порта USB – 3.0 — 900 мА. Напомню, что кабель USB (до 2.0 включительно) состоит из 4 медных проводников — 2 проводника питания и 2 проводника данных D+ и D- и заземленной металлической оплётки (экрана). Соответственно, разъем также имеет одноименные с кабелем контакты. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета. При внимательном рассмотрении видно, что разъём USB 3.0 имеет дополнительные контакты, которые не задействуются при соединении с кабелем USB 2.0 .

В «правильно» работающих устройствах в случае превышения тока потребления порт USB снижает напряжение или совсем его отключает (встроенная защита порта от перегрузки).

Систематизировать положение дел при питании от разъема USB позволило появление спецификации USB Battery Charging. Первая версия вышла в 2007 году. Она допускала наличие специально обозначенных разъемов USB-A с максимальным током до 1,5 А.

Также разрешались подобные разъемы с неподключенными линиями данных на зарядных устройствах. Такие устройства распознавались по замкнутым между собой контактам D+ и D-, и их разъемы допускали ток до 5 А.

После определенных доработок был принят новый стандарт – USB Power Delivery (USB PD), который предусматривал возможность повышать напряжение с целью передать через соединительный кабель бОльшую мощность. Чем была вызвана необходимость увеличения напряжения?

Как видно из ТХ, в смартфонах все чаще используются аккумуляторы емкостью более 3000 мАч. Это означает, что внешнее пятивольтовое зарядное устройство должно выдавать соизмеримые токи. А в ускоренном методе эти токи могут быть значительными. Сделать такую зарядку на современной элементной базе не проблема, а вот ощутимых потерь в соединительном кабеле при увеличенном токе не избежать. По закону Ома, они будут больше при бОльшем токе. Сам разъем USB может тоже не «потянуть» такой ток без заметного нагрева контактов (читай – потерь на них). Поэтому, не увеличивая токи до «запредельных» величин, передать увеличенную мощность можно путем повышения напряжения. Обратимся к формуле, определяющей мощность: P=U*I, где U и I – соответственно напряжение и ток. При стандартной пятивольтовой зарядке мощность, например, 20 Вт можно получить при токе 4 А, а увеличив напряжение до 12 В – уже при токе чуть более 1.6 А. К тому же, учитывая внутреннее сопротивление аккумулятора, значительно увеличить ток заряда от пятивольтового адаптера не удастся из-за малой разницы между напряжением зарядного устройства и напряжением аккумулятора.

Не вдаваясь в технические подробности, скажу, что USB PD первой ревизии (Rev.1) имеет несколько профилей электропитания и допускает увеличение напряжения (от стандартных 5В) до 12 или 20 В. При этом максимальная мощность через USB разъем возрастает до 100 Вт. В следующей ревизии – USB PD Rev.2 выбор максимальной мощности производится более гибко. Данная ревизия уже связана с USB 3.1 и новым разъемом USB Type-C.

Естественно, что зарядное устройство и потребитель тока (смартфон или другой гаджет) должны провести диалог и определить возможность передачи или приема такой мощности. Часто производители электроники сами вырабатывают методы такого определения. Как правило, наличие конкретного сопротивления или напряжения между шинами D+ и D-, иногда другие варианты переключают зарядное устройство в режим быстрого заряда. При этом, используя стандартный USB, смартфон заряжается пониженным током.

На данный момент, кроме USB PD, распространены и другие, отличные от этого стандарта технологии быстрого заряда.

Компания Qualcomm предложила технологию Quick Сharge 1.0. Она позволяет проводить заряд с выходными характеристиками зарядного устройства 5V/2A (мощность 10W). Усовершенствованная Quick Сharge 2.0 предполагает заряжать токами до 3 ампер и напряжением 5/9/12 вольт.

Очередная модификация технологии быстрого заряда – Quick Charge 3.0. Ее особенность в интеллектуальном подборе оптимального напряжения заряда (INOV). Напряжение подбирается индивидуально от 3,6 до 20 вольт для каждого устройства и промежутка процесса зарядки. Минимальный шаг изменения напряжения – 200 мВ. Разработчик Qualcomm обещает, что новая версия «быстрой зарядки» будет на 38% эффективнее, чем Quick Сharge 2.0. Согласно пресс-релизу Qualcomm, технология Quick Charge 4 позволит заряжать еще быстрее и устранит несовместимость с USB PD.

Стараются не отставать и MediaTek. По их заявлению, используя технологию MediaTek Pump Express 3.0, «аккумулятор современного устройства можно зарядить от 0 до 70% всего за 20 минут».

Но электронная начинка смартфона должна быть приспособлена для таких вариантов быстрого заряда. Помимо этого, аксессуары (кабель, зарядные устройства) должны иметь полную совместимость. Необходимо отметить, что производители все чаще используют в своих разработках, в частности, в быстрых зарядных устройствах, разъем USB Type-C, который поддерживает USB 3.1 с максимальной скоростью 10 Гбит и более высокое напряжение 20 В и ток 5А, соответственно, мощность 100 Вт. Он легче подключается к устройству благодаря своей симметричности. Но некоторые нестандартные кабели и переходники со штекером Type-C и гнездом стандартов A или micro-B на другом конце препятствуют корректному определению допустимой мощности, что может повредить источники питания или USB-порты компьютера. К тому же корпорация Google в документе Compatibility Definition Document (CDD) Android 7.0 Nougat пишет:

«Устройствам с разъемом USB-C НАСТОЯТЕЛЬНО РЕКОМЕНДУЕТСЯ не поддерживать проприетарные способы зарядки, которые используют напряжение, отличное от стандартных значений. поскольку это может привести к проблемам совместимости с зарядными устройствами или аксессуарами, которые поддерживают стандарт USB Power Delivery».

Похоже, Google предполагает, что USB PD станет стандартом быстрой зарядки для смартфонов с разъемом USB Type-C.

Естественно, из-за экономии времени быстрая зарядка привлекательна, но для меня остается открытым вопрос о долговечности аккумуляторов после такого форсированного заряда и его безопасность. Ряд пользователей замечают уменьшение емкости аккумуляторов, заряженных ускоренным методом. Однако у них немало оппонентов, которые не отмечают ухудшения параметров аккумуляторов, такого же мнения придерживаются и изготовители мобильных устройств. Целесообразным, видимо, будет использовать возможность включения или отключения функции быстрого заряда на усмотрение пользователя.

Литиевые аккумуляторы: немного теории и пара практических советов

Современный мобильный телефон – устройство многофункциональное. С его помощью можно звонить, писать SMS-сообщения, путешествовать по интернету, работать с электронной почтой, слушать музыку, играть и делать многое другое. Но, весь этот океан возможностей доступен до тех пор, пока в телефоне не разрядится аккумулятор. А можно ли увеличить время автономной работы от одной зарядки и срок жизни аккумулятора?

Однако перед тем как переходить к рассмотрению основного вопроса, предлагаю вам небольшой исторический экскурс и краткий теоретический минимум. Основной принцип, лежащий в основе функционирования аккумуляторов, был открыт Луиджи Гальвани в 17 веке. Это открытие было совершено случайно, ведь целью экспериментов Гальвани было исследование реакций подопытных животных на различные внешние воздействия. Однако, именно результаты, полученные Гальвани, стали основой исследований другого крупного ученого – Алессандро Вольта, который дал этому явлению правильное теоретическое объяснение и создал первый в мире гальванический элемент, представлявший собой емкость с соляной кислотой, в которую были погружены цинковая и медная пластины.

Все гальванические элементы можно разделить на две группы – первичные и вторичные. Их принципиальным отличием является то, что вторичные элементы при определенном внешнем воздействии могут восстанавливать свои свойства. Как вы, наверняка, уже догадались, первичные гальванические элементы – это не что иное как батарейки, а вторичные – аккумуляторы. Процесс восстановления свойств вторичного гальванического элемента мы привычно называем «зарядкой». Существует несколько типов аккумуляторов, отличающихся используемыми сочетаниями материалов, при этом для современных портативных устройств чаще всего используются аккумуляторы на основе лития — литий-ионные и литий-полимерные. По своим потребительским свойствам литий-ионные и литий-полимерные очень похожи между собой, за исключением того, что в литий-полимерных аккумуляторах используется твердый или гелеобразный полимерный электролит, что позволяет придавать им различную форму и малую толщину.

Обязательный элемент аккумуляторов на основе лития – электронная схема, служащая для контроля заряда и защиты «банки» аккумулятора. Она выполняет две функции – защищает аккумулятор от перезаряда и переразряда. Рабочее напряжение для литиевого аккумулятора – 3,6…4,2 В. Переразрядом считается снижение напряжения аккумулятора ниже 2,9 В, а перезарядом – превышение им значения 4,3 В. При этом, в обоих случаях, электроника аккумулятора разорвет электрическую цепь между входным контактом аккумулятора и «банкой» (с точки зрения пользователя аккумулятор «умирает»). Кстати, именно это и происходит когда телефон долго лежит с разряженным аккумулятором, так как даже в выключенном состоянии телефон потребляет немного энергии, поэтому неиспользуемый телефон следует хранить либо с полностью заряженным аккумулятором, либо вообще вытащить из него батарею.

В каждом аккумуляторе на основе лития должна быть такая «электронная пластинка

Для восстановления работоспособности при перезаряде (в исправных телефонах это явление практически не встречается) – понадобится подождать пока напряжение на «банке» аккумулятора снизится до допустимых значений, а при переразряде – «толкнуть» батарею при помощи универсального зарядного устройства («лягушки»). Причем «лягушки» бывают двух видов – полуавтоматические и полностью автоматические, отличающиеся тем, что в устройствах первого типа понадобится вручную (нажав/отжав кнопку) задать правильную полярность выходного напряжения. Кстати, на практике именно полуавтоматические «лягушки» удобнее – полный автомат далеко не всегда способен «толкнуть» сильно разряженный аккумулятор. В то же время пытаться заряжать аккумулятор в обход схемы заряда не следует – он может выйти из строя и даже взорваться.

Полуавтоматическое зарядное устройство

Автоматическое зарядное устройство. Главное отличие – количество светодиодов (обычно на «автомате» их три, на полуавтомате – четыре) и отсутствие кнопок

Вообще – увлекаться универсальными зарядными устройствами не следует, а лучше заряжать аккумулятор, используя штатное зарядное устройство телефона. Схематически цикл зарядки литиевого аккумулятора приведен на схеме.

Основных этапов три. На первом из них идет заряд батареи максимальным током, до достижения на ней напряжения 4,1…4,2 В, при этом на дисплее телефона отображается значок зарядки аккумулятора. И именно длительность этого этапа указана в руководстве пользователя как время зарядки телефона.

На втором этапе идет «доводка» батареи, причем, несмотря на то, что на дисплее телефона уже светится сообщение «аккумулятор заряжен», этап доводки очень важен. На практике аккумулятор после «доводки» способен накопить до 30% больше энергии. Полной зарядкой аккумулятора считается момент, когда величина зарядного тока составит 0,03 (3%) от своего начального значения. В зависимости от емкости аккумулятора и параметров зарядного устройства длительность «доводки» может составлять от 45 минут до 3-6 часов. Кстати, при использовании универсальных зарядных устройств обычно выполняется лишь первый этап, а «доводка» не производится, поэтому аккумулятор, заряженный от «лягушки» проработает меньше, чем тот же аккумулятор, заряженный штатным зарядным устройством.

Третий этап – это компенсационный заряд, т.е. после завершения зарядки, оставаясь подключенным к зарядному устройству, аккумулятор восполняет энергию, потраченную на работу телефона. Этот этап необязателен, более того – он даже в определенной мере вреден для батареи, так как при подобной подзарядке могут накапливаться ошибочные данные в электронике управляющей зарядом.

Как правильно эксплуатировать аккумуляторы на основе лития? Ответ можно выразить в короткой фразе – «Используйте аккумулятор. Не слишком много. В основном для небольших приложений». Звучит довольно загадочно, поэтому рассмотрим смысл этого выражения более подробно.

Первое, о чем следует помнить – аккумуляторы на основе лития не любят сильного разряда. Более того, регулярный полный разряд аккумулятора – отнюдь не способствует его долгой и счастливой жизни. Гораздо более правильным является разряд батереи до уровня примерно в 20%. На индикаторе мобильного телефона обычно такому уровню заряда соответствует 1 деление. В тоже время не стоит пытаться все время держать аккумулятор заряженным. Если провести аналогию с занятиями спортом, то для аккумулятора хорошей тренировкой является регулярные пробежки на несколько километров, но марафон – его сильно выматывает, отсутствие нагрузки – способствует к образованию «жирка». Применительно к аккумуляторам «жирок» выражается в сокращении времени автономной работы.

В тоже время, периодически, с интервалом примерно раз в месяц, стоит доводить телефон до автоматического отключения с сообщением «Аккумулятор разряжен». Главное – сразу же поставить его на полный цикл зарядки (т.е. 6-8 часов, независимо от надписей на дисплее). Причем, необходимость подобных тренировок вовсе не физические свойства аккумулятора – для литиевых аккумуляторных батарей эффект памяти не характерен. Тренировки нужны для устранения «цифрового эффекта памяти», возникающего при регулярных подзарядках – во время цикла полного разряда-заряда в схеме управления электропитанием будут очищены ошибочные данные, накопившиеся при подзарядках. Кстати, по этой же причине сразу после покупки новый телефон следует подвергать 3-5 полным циклам перезаряда.

Особенно актуальна подобная тренировка для смартфонов, любящих подзаряжаться при синхронизации с компьютером. Однако еще раз подчеркну – тренировками тоже увлекаться не стоит – 1-2 тренировки в месяц более чем достаточны. Также не следует забывать тренировать аккумуляторы и других портативных устройств, особенно ноутбуков или нетбуков, которые постоянно подключены к блоку питания. Кстати, есть рекомендация, что при использовании ноутбука с постоянным подключением к сети следует вообще снимать с него аккумулятор, предварительно запитав его сетевой адаптер через источник бесперебойного питания.

Существует и одно устойчивое заблуждение связано с количеством циклов аккумулятора. Считается, что аккумулятор способен проработать определенное количество циклов перезарядки, независимо от глубины разряда. Для литиевых аккумуляторов этот тезис неверен. Во-первых, потому что два цикла, в которых батарея будет разряжена на 50%, для аккумулятора будут считаться как один, а во-вторых, потому что для литиевых батарей более критично не количество циклов, а возраст. Типичный срок службы аккумулятора на основе лития – 2 года, причем, независимо от того используется он или лежит на полке.

Хотя последнее утверждение тоже не стоит принимать как прописную истину – для оригинальных аккумуляторов возраст менее критичен, чем для их китайских аналогов. Возможно, это вызвано каким-то удешевлением технологий производства. Но факт остается фактом – при правильном уходе и через 5 лет использования фирменный аккумулятор может обеспечивать вполне приемлемую автономность, тогда как аккумулятор безымянного китайского производителя может начать «радовать» преждевременным разрядом уже через несколько месяцев.

Очень важным моментом для аккумуляторов на основе лития является соблюдение температурного режима. Идеальной для них является прохлада, тогда как жара и мороз – противопоказаны. Особенно тяжелый температурный режим у аккумуляторов ноутбуков и мощных смартфонов – помимо внешнего нагрева от элементов устройства, в них присутствует еще и внутренний нагрев, обусловленный большой потребляемой мощностью. Например, посчитайте, сколько потребляет двухядерный смартфон при просмотре HD-видео c фоновой загрузкой данных из интернет и работающим модулем GPS. Аккумуляторам в подобных устройствах приходится очень несладко. Но такова их судьба – иначе, зачем вообще нужны столь мощные девайсы?

Еще одна рекомендация касается запасных аккумуляторов – если аккумулятор не используется, то его следует зарядить примерно до половины (40…50%) и поместить в прохладное место, например, холодильник (но не в морозильное отделение).

К сожалению, ничего вечного не бывает – у каждой вещи есть свой срок службы, поэтому не следует думать, что соблюдение всех рекомендаций позволит аккумулятору оставаться как новому в течение многих лет. Для аккумуляторов производитель обычно указывает такой параметр как емкость через определенное время использования, например, «до 80% от начальной емкости через 1000 циклов». Конечно, эти данные во многом идеализированы, но соблюдая рекомендации по уходу за аккумулятором, есть шанс приблизиться к заявленным параметрам, что само по себе неплохо. В любом случае, рекомендации, приведенные в этой статье, не претендуют на роль истины в последней инстанции, поэтому если вам есть что дополнить или возразить – милости прошу в комментарии.