Ładowanie smartfona

Wbudowane w smartfony akumulatory są obecnie jednym z ich najsłabszych punktów. Duże, o wysokiej rozdzielczości ekrany, szybkie procesory i czujniki konsumują spore ilości energii. Tradycyjne sposoby ładowania pojemnych baterii stały się mało efektywne, więc producenci sprzętu mobilnego musieli zaradzić temu problemowi. Dzisiejsze telefony w czasie intensywnego użytkowania szybko się rozładowują (także w ciągu dnia) i aby nie odmówiły posłuszeństwa, często zmuszeni jesteśmy do korzystania z powerbanków lub podładowujemy je z gniazdka. Dzięki systemom szybkiego ładowania możemy wykorzystać każdą wolną chwilę na uzupełnienie energii. Jeśli zapomnimy podłączyć telefon do ładowarki (adaptera) na noc wystarczy rano na kwadrans wpiąć go do prądu, aby bateria została naładowana w 50–60 proc., co pozwoli na kilka godzin pracy.

Dziś w zasadzie każdy z producentów smartfonów ma w swojej ofercie własną technologie szybkiego ładowania akumulatora. Rywalizacja jest zacięta, bowiem taka funkcja z pewnością przyciągnie klienta do konkretnego produktu. Oczywiście nie liczy się tu jedynie sama obecność systemu szybkiego ładowania, a jego wydajność. Komu najbardziej uda się skrócić czas potrzebny na uzupełnienie energii w ogniwach, będzie górą. Dlatego każdy producent rozwija własną metodę, choć w zasadzie są one oparte na podobnych mechanizmach zwiększania natężenia prądu lub napięcia podczas ładowania. Wszystko rozpoczęło się od standardu USB, który wcale nie został zaprojektowany z myślą o ładowaniu urządzeń, a do szybkiego przesyłu danych z opcją zasilania.

Urządzenia takie jak np. pendrive czy dysk twardy USB, które nie mają wewnętrznego źródła prądu, mogą dzięki temu działać. W czasie ewolucji standardu USB dbano głównie o zwiększanie przepustowości, jednak rozwój urządzeń mobilnych doprowadził do powstania szybkich połączeń bezprzewodowych, a rola kabla USB została ograniczona głównie do ładowania ich akumulatorów.

W końcu zauważono potrzebę zwiększenia szybkości ładowania i tak w 2007 roku powstał standard USB Battery Charging, w którym maksymalne natężenie prądu zwiększono z 500 i 900 mA do 1,5 A. Pozostawiono jednak poprzednią wartość napięcia, która wynosiła 5 V. Nie pozwoliło to uzyskać zadowalającego skrócenia czasu ładowania, ponieważ maksymalna moc przy tym napięciu wynosiła zaledwie 7,5 W. Aby efekty były bardziej spektakularne, konieczna była rezygnacja ze standaryzacji USB i opracowanie własnych technologii, które będą mogły pracować, wykorzystując stare medium transmisyjne, czyli tradycyjny kabel USB.

Jest to dziś jedna z najpopularniejszych technologii szybkiego ładowania i została opracowana przez producenta procesorów mobilnych – firmę Qualcomm. Quick Charge (QC) rozwija się bardzo szybko, a od 2016 roku powstało aż pięć jego wersji. Pierwsza implementacja zapewniała następujące parametry: 5 V i 2 A (10 W), a w kolejnej zwiększono napięcie do 9 V i 12 V (18 W). Ich następca, czyli Quick Charge 3.0, umożliwiał swobodne sterowanie napięciem (w zakresie od 3,6 V do 20 V) w zależności od potrzeb, co pozwoliło zoptymalizować proces ładowania i ograniczyć problem nagrzewania się akumulatora.

Technologia ta nazywa się INOV (ang. Intelligent Negotiation for Optimal Voltage), a najnowsze odsłony QC, oznaczone odpowiednio 4.0 i 4.0+, bazują na wersji 3.0 (identyczne parametry prądu ładowania). Tu lepsze wyniki osiągnięto dzięki wprowadzeniu tzw. podwójnego ładowania (Dual Charge), w którym dodatkowy, wyspecjalizowany układ scalony odpowiednio steruje dostarczaną energią. Pozwoliło to zauważalnie zmniejszyć ilość wydzielanego ciepła i skróciło czas ładowania.

Czip ten pozwala też dokładniej monitorować temperaturę ogniwa, co chroni je przed przegrzewaniem i uszkodzeniem (zwiększa żywotność). Warto dodać, że Quick Charge został zaprojektowany z myślą o urządzeniach z procesorami Qualcomm Snapdragon, jednak może on być kompatybilny również z innymi produktami. Zawsze konieczne jest oczywiście zastosowania ładowarki sieciowej (i kabla) zgodnej z odpowiednią wersją QC, jednak sama technologia jest wstecznie zgodna.

Ta technika została stworzona przez Chińczyków i jest wykorzystywana przez firmy sprzedające swoje produkty także w naszym kraju, jednak po niewielkich, własnych modyfikacjach. Jako przykład można podać tu systemy TurboPower (Motorola) oraz Pump Express (MediaTek). Główne założenie jest jednak takie samo. Pomysł polega na uzyskiwaniu odpowiedniej mocy prądu ładowania poprzez zwiększanie natężenia, a nie napięcia, jak w przypadku Quick Charge.

Podobnie jak w przypadku USB mamy tu do czynienia ze stałym napięciem o wartości 5 V, natomiast natężenie może być podnoszone nawet do 5 A. Podczas ładowania akumulatora za pomocą Quick Charge wydzielane są stosunkowo duże ilości ciepła w wyniku ciągłej konwersji napięcia, a to w sytuacji, gdy podczas ładowania intensywnie korzystamy ze smartfona, powoduje jeszcze większe nagrzewanie i w efekcie wolniejsze ładowanie. Dash Charge pozbawiony jest tej wady i pozwala szybko ładować baterię np. podczas zabawy z wymagającymi grami lub gdy odtwarzamy pliki wideo.

Ten standard jest ściśle związany ze złączem USB typu C. Stworzono go w celu zaprowadzenia porządku w świecie wielu technologii szybkiego ładowania, a przy okazji pozwala on rozwiązać problem z podłączaniem wtyczek niewłaściwą stroną. Co ciekawe, za pomocą PD naładujemy też akumulatory stosowane w laptopach oraz możemy zasilać w ten sposób różne urządzenia, np. monitory. Zasada działania tej technologii opiera się na komunikacji urządzenia z ładowarką (adapterem) w celu uzgodnienia parametrów prądu ładowania, jaki jest potrzebny. Odbywa się to z wykorzystaniem dodatkowej linii komunikacyjnej standardu USB-C. Dostępne są cztery wersje napięcia: 5, 9, 15 i 20 V. W przypadku natężenia mamy tu do czynienia z płynną jego regulacją (maksimum to 5 A), pozwalającą uzyskać moc o wartościach od 0,5 W do nawet 100 W.

Warto dodać, że opisywany wcześniej standard Quick Charge od wersji 4.0 jest w pełni kompatybilny również z Power Delivery. Oznacza to, że jeśli posiadamy telefon z technologią QC 4.0 lub nowszą, to szybko naładujemy jego baterię ładowarką Power Delivery. Poza tym adapter QC możemy jednocześnie użyć do błyskawicznego uzupełniania energii w akumulatorach urządzeń z PD. Jak można zauważyć, konkurencyjne do Power Delivery i Quick Charge technologie szybkiego ładowania mogą w tej sytuacji czuć się zagrożone, a być może już niedługo ze względu na szersze zastosowanie i uniwersalność na placu boju pozostanie już tylko USB-C Power Delivery.

Producenci smartfonów zapewniają, że ich technologie szybkiego ładowania są bezpieczne i nie wpływają destrukcyjnie na kondycję akumulatora. Fizyki jednak oszukać się nie da i faktem jest, że stosowane w urządzeniach mobilnych ogniwa nie przepadają za ładowaniem prądem o wysokim natężeniu. Głownie chodzi tu o wydzielający się nadmiar ciepła, który niekorzystnie wpływa na ogniwa litowo-jonowe i polimerowe. Krótko mówiąc – nagminne korzystanie z szybkiego ładowania będzie prowadziło do nieco szybszego spadku całkowitej pojemności akumulatora, więc coraz częściej będzie potrzebne jego podładowywanie.

Współczesne ogniwa wytrzymują od ok. 500 do 800 cykli ładowania i rozładowywania, co w praktyce oznacza dwa lata pracy bez drastycznego spadku pojemności. Systemy szybkiego ładowania mają natomiast tę zaletę, że nawet jeśli musimy ładować częściej, to zrobimy to w znacznie krótszym czasie niezależnie od tego, czy pojemność akumulatora już wyraźnie spadła. Jeśli więc nie musimy, np. wystarczy nam długie ładowanie tylko w nocy, nie korzystajmy cały czas z szybkiego ładowania. Funkcję za to odpowiedzialną często można wyłączyć w ustawieniach telefonu lub po prostu możemy korzystać z tradycyjnej ładowarki.

Inna kwestia to średni czas, przez jaki korzystamy z danego urządzenia, który wynosi dwa lata. Znaczący spadek pojemności odczują tylko ci użytkownicy, którzy rzadziej wymieniają swój sprzęt na nowszy. Warto też wiedzieć, że korzystając z szybkiego ładowania, lepiej w tym czasie nie korzystać z telefonu. Spowalnia to uzupełnianie energii oraz generuje dodatkowe ciepło. Ciekawe rozwiązanie wprowadziła do swoich produktów firma Sony. W nich sposób ładowania telefonu jest dobierany automatycznie w zależności od sposobu użytkowania urządzenia, np. gdy smartfon leży w nocy nieużywany, wybierany jest tryb powolnego ładowania.

Technologie szybkiego ładowania dzięki kontrolerom i systemom zabezpieczającym sprawiają, że nie musimy obawiać się o uszkodzenie naszego sprzętu. Także same ogniwa są cały czas ulepszane i stają się bardziej odporne na niesprzyjające warunki, np. wysoką temperaturę. Tak więc bez obaw – szybkie ładowanie nie doprowadzi do wybuchu ani pożaru. Warto jednak korzystać z ładowarek renomowanych producentów, a nie z chińskich adapterów za 5 zł. Zupełnie inną kwestią są przewody, którymi przesyłany jest prąd z ładowarki do urządzenia.

Zwykłe, tanie kable USB często są zbyt długie i cienkie, a jak wiadomo, aby przesłać prąd o większym natężeniu, przewody powinny być grubsze, a te zbyt długie będę generować straty wskutek zjawiska rezystancji i szybkie ładowanie nie dojdzie do skutku. Gdy prąd o nieprawidłowych parametrach zostanie wykryty przez kontroler, w skrajnych przypadkach ładowanie w ogóle nie będzie możliwe nawet w trybie wolnym. Dlatego jeśli korzystamy szczególnie z szybkich ładowarek, nie oszczędzajmy na okablowaniu. Dużym zagrożeniem dla sprzętu jest stosowanie tanich przewodów USB-C z końcówką typu A po drugiej stronie. Specyfikacja przewiduje w tym przypadku konieczność stosowania odpowiednich rezystorów, które nie pozwolą żądać od ładowarki zbyt dużego prądu. Niestety tanie kable mogą nie mieć odpowiedniego zabezpieczenia, co może doprowadzić do uszkodzenia smartfona lub ładowarki, a jeśli ładujemy telefon z portu USB w komputerze, także i płyty głównej lub samego portu.

Każdy telefon sprzedawany jest wraz z ładowarką. Nie oznacza to jednak, że nawet jeśli dany model obsługuje funkcję szybkiego ładowania, to załączony adapter pozwoli nam z niej skorzystać. Prawda jest taka, że producenci w ramach cięcia kosztów dołączają do zestawu jedynie podstawowy model ładowarki generujący jedynie maksymalne natężenie prądu, jakie może przyjąć dane urządzenie.

Jeśli chcemy skorzystać z wbudowanej w smartfona technologii szybkiego ładowania, najczęściej konieczny będzie zakup osobnej ładowarki zgodnej z daną technologią, np. Quick Charge. Najgorzej wygląda sprawa, gdy nasze urządzenie wspiera autorską odmianę szybkiego ładowania, która jest zgodna tylko z produktami tego samego producenta. Taki adapter z pewnością będzie droższy niż bardziej uniwersalne technologie typu Power Delivery i Quick Charge.

To, że systemy szybkiego ładowania są dziś wręcz koniecznością, nie podlega dyskusji. W przyszłości będą w nie wyposażane także budżetowe modele, a stanie się tak wtedy, gdy na rynku pozostanie tylko jeden, najlepszy standard. Czasy, w których każdy producent oferował własną technologię, już przemijają, podobnie jak było kiedyś w przypadku wtyczek do ładowarek.

Dziś króluje USB, a na zwycięstwo w bitwie o standard ładowania największe szanse ma bardzo uniwersalny Power Delivery. Obecnie najpopularniejszy Quick Charge w wersji 4.0 i 4.0+ jest już zgodny z PD. Nawet firma Apple, która długo nie widziała potrzeby implementacji w swoich telefonach technologii przyspieszających ładowanie, korzysta teraz z Power Delivery w swoich najnowszych smartfonach i tabletach, nazywając ją po prostu Fast Charge.

To technologia szybkiego ładowania przeznaczona wyłącznie dla urządzeń produkowanych przez Samsunga, która działa na takiej samej zasadzie jak Quick Charge. Co ciekawe, do ładowania możemy wykorzystywać tu ładowarki QC innych producentów niż Samsung, przy czym telefon nie musi być wyposażony w procesor Qualcomma. Wszystko zadziała także wtedy, gdy na płycie głównej znajduje się jednostka centralna z serii Exynos. Inaczej natomiast wygląda sprawa samych ładowarek Adaptive Fast Charge. Jeśli użyjemy ich do ładowania urządzeń innych niż te z logo Samsunga, możemy nie uzyskać efektu szybkiego ładowania. W tym wypadku lepiej zastosować zwykłą ładowarkę QC.

Uzupełniając energię w ogniwach smartfona za pomocą przenośnego powerbanku, również możemy korzystać z funkcji szybkiego ładowania. Co więcej, również sam powerbank może być szybciej ładowany przy użyciu jednej z kilku technologii. Najprostszym i podstawowym sposobem jest tu stosowanie prądu wyjściowego o podwyższonym w stosunku do standardu USB natężeniu. Mogą to być wartości rzędu np. 1,5, 2, 2,4 czy 3 amperów lub więcej. Odpowiednia wartość zostanie automatycznie dobrana w zależności od modelu telefonu. Aby szybko naładować powerbank, możemy też zastosować odpowiednio wydajną ładowarkę, która dostarczy prąd o podwyższonym natężeniu. Lepszym rozwiązaniem będzie zakup powerbanku obsługującego jedną z technologii szybkiego ładowania, np. Quick Charge. Jest ona najpopularniejsza wśród tego typu urządzeń, a w sprzedaży spotkać możemy jeszcze nieliczne, autorskie rozwiązania danego producenta, np. Huawei SuperCharge. Należy pamiętać o tym, że powerbanki najczęściej są sprzedawane bez ładowarek, więc aby szybko naładować ich akumulatory, należy użyć odpowiedniego adaptera. Inaczej ładowanie będzie odbywało się w standardowy sposób.

Oczywiście także w przypadku ładowarek indukcyjnych możemy liczyć na funkcję szybkiego ładowania. Pojęcie „szybkie” jest tu jednak względne i nie ma porównania do rozwiązań przewodowych. Po prostu ładowanie bezprzewodowe jest znacznie mniej wydajne. Swoje technologie wdrażają tu jedynie najwięksi gracze, jak Samsung czy Apple. Stosowanym standardem jest najpopularniejsze obecnie rozwiązanie czyli technologia Qi. Przyspieszenie w dostarczaniu energii daje tu np. stosowanie zmodyfikowanych cewek indukcyjnych pozwalających na przesył prądu o większej mocy, np. z miedzianym oplotem. Przeszkodą jest jednak ich grubość, przez co w cienkich urządzeniach trudniej je zmieścić. Inny problem to fakt, że do szybkiego ładowania bezprzewodowego potrzebny jest adapter konkretnego producenta, jak i kompatybilny z nim model telefonu oczywiście tegoż samego wytwórcy. Brakuje jakiejkolwiek standaryzacji w szybkim ładowaniu indukcyjnym.

Mit 1: Nie wolno ładować akumulatora mocniejszymi ładowarkami
Smartfony, jak sama nazwa wskazuje, są bardzo inteligentnymi urządzeniami, a wbudowane w nie układy elektroniczne i zabezpieczenia nie pozwolą na zbyt duży przepływ prądu czy przegrzewanie się baterii. Możemy więc korzystać z dowolnych ładowarek, nawet jeśli są znacznie mocniejsze niż ta, z którą kupiliśmy telefon. Jeśli dana ładowarka nie zapewni parametrów prądu kompatybilnego z naszym urządzeniem (inny standard szybkiego ładowania lub słaby kabel), kontroler nie rozpocznie procesu uzupełniania energii lub adapter będzie pracował w trybie wolnym.

Mit 2: Przed rozpoczęciem ładowania trzeba zużyć pozostałą energię
We wszystkich sprzedawanych od lat telefonach i smartfonach znajdują się baterie litowo-jonowe lub polimerowe, a same urządzenia naszpikowane są elektroniką, która zarządza energią. Doładowywać akumulator możemy więc w dowolnym momencie, nawet gdy pozostało nam 80–90 proc. energii. Nie zmniejszamy w ten sposób też liczby cykli, po których ogniwa staną się bezużyteczne. Jeden cykl to całkowite naładowanie i rozładowania akumulatora, ale nie musi odbyć się za jednym razem. Aby „zużyć” cały cykl, trzeba aż pięć razy ładować telefon od 80 do 100 proc. Co ciekawe, to całkowite rozładowywanie współczesnych ogniw im szkodzi, a nie często doładowywanie.

Mit 3: Przed pierwszym użyciem należy wykonać formowanie (pot. formatowanie) baterii
Procedura formowania akumulatora była potrzebna jedynie w przypadku nieużywanych od dawana akumulatorów niklowo-kadmowych. Miały one tzw. efekt pamięci (niewskazane było doładowywanie) oraz aby uzyskać najlepszą pojemność, trzeba je było kilkukrotnie rozładować do zera i ponownie w pełni naładować. To już jednak przeszłość.

Mit 4: Nie wolno używać smartfona podczas ładowania
Nic nie stoi na przeszkodzie, aby korzystać z telefonu podczas jego ładowania. Z pewnością nie porazi nas prąd, a akumulator nie eksploduje. Mit ten bierze się z nielicznych przypadków urządzeń, które miały poważną wadę fabryczną, w których ogniwa były fizycznie uszkodzone lub gdy korzystano z tanich, kiepskiej jakości ładowarek niespełniających żadnych norm bezpieczeństwa.

Mit 5: Ładowanie akumulatora przez całą noc niszczy go
Układy elektroniczne smartfona mają wiele zabezpieczeń i kontrolują cały proces uzupełniania energii. Gdy ogniwa są pełne, bateria nie jest dalej ładowana. Generowany jest jedynie niewielki prąd podtrzymujący, tak abyśmy rano mieli 100 proc. Z akumulatorem nic się nie stanie, choć najlepiej jest, gdy utrzymuje poziom naładowania w przedziale 40–80 proc. W większości przypadków trudno jednak o to zadbać.

Mit 6: Nie powinno się ładować wyłączonego telefonu
To bardzo dziwny mit, który nie ma żadnego logicznego uzasadnienia. Jest wręcz przeciwnie. Kiedy smartfon jest wyłączony, akumulator naładuje się szybciej niż wtedy, gdy urządzenie pracuje. Wyłączanie telefonu na noc, jeśli nie jest nam niezbędny, również w niczym nie szkodzi, a jedynie zwiększy żywotność ogniwa.