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:
- Как устроен аккумулятор и что нужно, чтобы заряжать его быстрее.
- Как заряжали аккумуляторы до быстрой зарядки.
- Что придумали и в чём был нюанс.
- Как это происходит теперь.
- 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?
— ...
— Желаете, спрашиваю?
— …
— 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!
