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 устроена зарядка для телефона
Название «зарядное устройство для сотового телефона» не вполне точно выражает выполняемые устройством функции. На самом деле, это обычный блок питания небольшой мощности (обычно рассчитан на ток нагрузки до 0.5. 1 А, номинальное напряжение на выходе 5 В), который используется как источник напряжения для схемы, встроенной в телефон и контролирующей процесс заряда аккумулятора. Наиболее распространены работающие от сети устройства, которые в целях обеспечения минимальных размеров, веса и цены, выполняется по импульсной схеме. Разумеется, возможны и другие варианты, например, зарядное устройство, работающее от бортовой сети автомобиля, автономное зарядное устройство со встроенным аккумулятором большой ёмкости или что-то ещё более экзотическое, вроде зарядного устройства на солнечных батареях.
Оглавление
Зарядное устройство для сотового телефона
Смотрите также
Блокинг-генератор в импульсных источниках питания
Блоки питания
Типовая схема
Несмотря на то, что существует множество превосходных контроллеров для импульсных блоков питания, недорогих и с хорошими характеристиками, до сих пор встречаются зарядные устройства для сотовых телефонов, выполненные по простейшей схеме на одном транзисторе! По сути — это обычный блокинг-генератор плюс несколько дополнительных элементов. Вот так, казалось уже забытый, блокинг-генератор нашёл новую сферу применения.
Рассмотрим схему одного из зарядных устройств (HF 2774-1; вход: AC 100-250 В, 50~60 Гц, 100 мА; выход: DC 4.7-11 В, ≤700 мА; произведено в Китае для WAX Mobile). Прочие подобные устройства, в основном, устроены аналогично, поэтому рассматриваемую схему можно считать типовой. Нумерация элементов (как и в устройствах других моделей) может быть непоследовательной, так как для некоторых элементов место на плате зарезервировано, но они не установлены.
Рис. 1
Сетевое напряжение выпрямляется с помощью однополупериодного выпрямителя на диоде D4, конечно же, типа 1N4007. Конденсатор C1 сглаживает пульсации напряжения. Резистор R1 выполняет скорее функции предохранителя, чем ограничения зарядного тока конденсатора C1 при включении устройства в сеть — для этого номинал резистора слишком мал. Поэтому при включении зарядного устройства в розетку можно наблюдать искру, тем более мощную, чем больше мощность зарядного устройства, а значит и ёмкость конденсатора. Хотя здесь на плате зарезервировано место для монтажа выпрямителя по мостовой схеме, используется однополупериодная схема. Что конечно плохо: возрастает уровень пульсаций выпрямленного сетевого напряжения (это не так страшно, пульсации компенсируются за счёт стабилизирующих свойств импульсного преобразователя), а что ещё хуже — появляется постоянная составляющая потребляемого от сети тока, что совершенно недопустимо для качественного блока питания.
На транзисторе Q1 собран блокинг-генератор. Резистор R6 создаёт начальное смещение на базе транзистора для запуска генератора после включения. Цепь положительной обратной связи образована обмоткой L2 трансформатора T1 и элементами R8, R7, C3, R5. В эмиттерную цепь транзистора включён резистор R4, но его влияние невелико в связи с малым сопротивлением. Отрицательные импульсы напряжения на обмотке L2 (которые возникают, когда транзистор Q1 закрыт) через диод D7 заряжают конденсатор C4. В эти же моменты времени происходит заряд конденсатора C5 через диод D8 от обмотки L3 в цепи питания нагрузки. Амплитуды импульсов напряжения на обмотках L2 и L3 будут пропорциональны количествам витков в обмотках, а значит и сами амплитуды импульсов на обмотках будут пропорциональны, т.е. по выпрямленному напряжению на конденсаторе C4 можно судить о напряжении на выходе — на конденсаторе C5.
Когда выходное напряжение, а значит и напряжение на C4 становится достаточно большим, во время положительных (открывающих) импульсов на базе Q1, появляются импульсы тока стабилизации через D6, которые уменьшают амплитуду импульсов базового тока. Соответственно, уменьшается и максимальное значение, достигаемое коллекторным током при открытом транзисторе. Это приводит к укорачиванию импульсов блокинг-генератора, так при линейном росте тока в индуктивности L1, который происходит при открытом транзисторе, меньшее значение тока достигается за меньшее время. Соответственно, частота импульсов растёт. Но энергия, передаваемая трансформатором в нагрузку за один такт, которая пропорциональна квадрату тока в L1, уменьшается в большей степени, чем возрастает частота. Поэтому средняя мощность, поступающая в нагрузку, снижается, конденсатор C5 постепенно разражается, напряжение на нём (т.е., напряжение на нагрузке) уменьшается.
Со снижением напряжения на C5, снижается напряжение и на C4, стабилитрон в меньшей степени ограничивает импульсы базового тока транзистора Q1, возрастает и амплитуда импульсов коллекторного тока этого транзистора. При этом длительность импульсов возрастает (а частота падает), но передаваемая за один такт энергия, пропорциональная квадрату тока, увеличивается в большей степени, чем снижается частота импульсов. В целом, средняя мощность, передаваемая в нагрузку, увеличивается, напряжение на конденсаторе C5 растёт.
Так осуществляется стабилизация выходного напряжения. Причём использование разных обмоток для питания нагрузки и для измерения напряжения, обеспечивает гальваническую развязку между нагрузкой и сетью.
Элементы D5, R3, C2 образуют демпферную цепь, ограничивающую амплитуду импульса на L1 (обусловленного наличием индуктивности рассеяния обмотки трансформатора) и, тем самым, ограничивающую пиковое напряжение на коллекторе транзистора в момент его закрытия.
Между прочим, T1 на самом деле не трансформатор, а многообмоточный дроссель. Разница между ними существенная и заключается в самом принципе работы. В трансформаторе происходит передача энергии от одной обмотки к другой, не требуется её накопления в магнитопроводе (для трансформатора такое накопление — побочный процесс). В дросселе сначала происходит накопление энергии в магнитопроводе (прямой ход: транзистор открыт, ток через L1 нарастает; во время прямого хода ток через L3 практически равен нулю — подключённый к ней диод D8 заперт), а затем накопленная энергия отдаётся через обмотки дросселя (обратный ход: транзистор закрыт). Преимущественно энергия на обратном ходе отдаётся через обмотку L3 конденсатору C5 и далее в нагрузку; частично через L2, обеспечивая небольшой ток цепи стабилизации. С другой стороны, T1 всё же немного трансформатор, он используется как трансформатор на прямом ходе для осуществления положительной обратной связи (через L2).
Варианты схемы
Разные модели зарядных устройств, построенных на основе блокинг-генератора, обычно очень сходны между собой (вплоть до совпадения номиналов элементов), но могут иметь и небольшие отличия.
Допустим, на входе может быть установлен мостовой выпрямитель и могут иметься какие-либо элементы фильтрации электромагнитных помех.
Так как стабилизационные свойства схемы далеки от совершенства, иногда схему дополняют линейным стабилизатором на выходе. Заодно это снижает уровень пульсаций выходного напряжения. Использоваться может стабилизатор в виде микросхемы или стабилизатор в виде эмиттерного повторителя, на базу которого подаётся напряжение с параметрического стабилизатора на стабилитроне, как это сделано в зарядном устройстве AMT SONER K750i.
Рис. 2
Лучше результат будет при использовании специализированного линейного стабилизатора — как в количественном отношении (высокая точность, ещё более высокая стабильность и меньший уровень пульсаций), так и в качественном (обычно такие стабилизаторы имеют дополнительные функции вроде защиты от перегрузок по току, защиты от перегрева и прочие).
Иногда бывают довольно странные конструктивные изменения, смысл которых неочевиден. Вот, например, полная схема устройства AMT SONER K750i, которое упоминалось выше.
Рис. 3
Схема на рис. 3 похожа на изображённую на рис. 1 вплоть до номиналов элементов, но способ подключения обмотки L2 здесь изменён (на рис. 1 имеем контур: L2 — RC-цепь — Q1бэ — Rэ=R4; здесь имеем контур: L2 — RC-цепь — Q1бэ) — резистор R2 оказался исключён из локальной обратной связи в цепи эмиттера и его присутствие становится необоснованным.
Недостатки схемы
Крайне простые и очень дешёвые источники питания на основе блокинг-генератора, к сожалению, имеют массу недостатков. Некоторые из которых связаны с принципом работы используемой схемы и неизбежны для устройств подобного типа, а некоторые обусловлены стремлением разработчиков сэкономить на всём, на чём только можно и на чём нельзя.
Если рассматривать приведённые в этой статье примеры, то из наиболее очевидных, можно назвать следующие недостатки. В схемах нет элементов для ограничения зарядного тока сглаживающего конденсатора в момент включения устройства в сеть. Часто нет даже предохранителя на входе. Отсутствует фильтр на входе, так что высокочастотные помехи, создаваемые блокинг-генератором, с лёгкостью попадают в сеть (электролитический конденсатор в выпрямителе сетевого напряжения не решает всех проблем — как известно, для высокочастотных составляющих эквивалентная ёмкость электролитических конденсаторов падает, зато последовательное сопротивление и паразитная индуктивность проявляются в полной мере). Устройство не только «загрязняет» сеть, но и само беззащитно от помех и импульсных выбросов, не являющихся редкостью в реальных условиях. Устройство является сильно нелинейным потребителем для сети (мгновенный потребляемый ток не пропорционален мгновенному напряжению в сети). Кроме того, если входной выпрямитель выполнен по однополупериодной схеме, появляется постоянная составляющая потребляемого тока, что весьма нежелательно для сетей переменного тока. Отсутствуют элементы защиты от перегрузки, от перенапряжения на выходе. На выходе также нет достаточной фильтрации для высокочастотных составляющих в спектре пульсаций. Схема не обеспечивает высокой стабильности выходного напряжения.
В целом, устройства на основе блокинг-генератора могли бы найти ограниченное применение, но, упрощённые сверх всяких пределов варианты нельзя рекомендовать к использованию ни в каких случаях.
Смотрите ещё пример зарядного устройства для телефона:
Зарядное устройство AMT Style
Смотрите углубленный анализ источников питания на основе блокинг-генератора:
Блокинг-генератор в импульсных источниках питания
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.
Что включает в себя блок питания телефона
Смартфоны давно стали неотъемлемой частью нашей жизни. Конечно, они иногда ломаются и работают не так, как нужно. Полезно знать, из чего состоит блок питания телефона, чтобы, в случае проблем, подобрать адекватную замену или устранить неисправность.
Корпус и маркировка
- интервал напряжения тока в вольтах (100-240 V);
- частота (50-60 Hz);
- сила тока на выходе (например, 5.0V — 2.0A).
Последний показатель очень важен, если вы собираетесь использовать не оригинальный блок питания, который поставлялся в комплекте со смартфоном, а его аналог. В этом случае следует подобрать блок с таким же значением выхода для того, чтобы зарядка была эффективной.
Блоки питания с меньшим выходом могут увеличивать время зарядки. Также их использование может привести к короткому замыканию. Блоки с большим напряжением, как правило, безопасны. У современных смартфонов есть контроллеры питания, которые не позволяют принимать ток большей силы, чем нужно. Сами аккумуляторы также имеют защитную плату, которая может предотвратить перезаряд и защитить от замыкания. Однако при такой зарядке батарея выходит из строя быстрее, и пользоваться подобными устройствами тоже не рекомендуется.
Вместе с тем, использовать блоки питания от других устройств для разовой зарядки можно. Если вам необходимо зарядить смартфон, а нужного девайса нет рядом, не беспокойтесь. От одного-двух использований другого оборудования ничего плохого не случится.
Большой выбор блоков питания для телефонов и планшетов с гарантией в наличии и под заказ на NBdoc
Внутреннее строение
Внутри блока питания находятся несколько компонентов:
- преобразователь напряжения — устройство, которое изменяет входное напряжение (повышает или понижает его) и приводит его к нужному значению на выходе;
- стабилизатор — выравнивает величину напряжения и защищает прибор от скачков электричества;
- выпрямитель — нужен для того, чтобы преобразовать переменное напряжение в постоянное, встречается почти во всех бытовых приборах от фена до холодильника;
- устройство для контроля процесса зарядки (при необходимости) — система, которая управляет процессом зарядки и отвечает за его безопасность;
- индикатор (при необходимости) — светодиод, который сигнализирует о том, заряжен ли аккумулятор, и в отдельных случаях сообщает о возникших проблемах.
Большинство блоков питания для смартфонов в настоящее время являются неразъемными. В таких условиях трудно вскрыть корпус так, чтобы не повредить детали. По этой причине в случае поломки блока питания чаще всего проще и дешевле приобрести новый, а не ремонтировать вышедший из строя. Исключения составляют ситуации, когда блок питания нужен немедленно, а купить новый в ближайшее время не представляется возможным. Большой ассортимент блоков питания для телефонов и планшетов вы найдете на нашем сайте.