Na co dzień mamy do czynienia z przeróżnymi urządzeniami i technologiami. Często nie zdajemy sobie sprawy z tego, jak to wszystko działa (lub nie działa) i ile przeróżnych rozwiązań jest potrzebnych do wykonania z pozoru prostych zadań. Teksty z serii „Jak to działa” będą ukazywały się co tydzień. Tym razem zajmiemy się zasadą działania power banku.
Z czego zbudowany jest power bank?
Podstawą są akumulatory. Najczęściej montowane są ogniwa 18650, ich ilość, marka i pojemność jest zależna od producenta. Oczywiście nie ma tu reguły, coraz częściej spotykane są płaskie power banki z ogniwami litowo-jonowymi, podobnymi do tych, które montowane są w telefonach i tabletach. To rozwiązanie ma swoje wady i zalety. Płaskie ogniwa są w stanie zmagazynować więcej energii i lepiej wypełnić pustą przestrzeń. Z drugiej strony są znacznie droższe i mniej bezpieczne. W środku power banku znajdziemy również elektronikę, odpowiedzialną za kontrolowanie procesu ładowania akumulatorów i podłączonego do portu USB urządzenia.
Proces ładowania i rozładowywania
Wbrew pozorom to właśnie elektronika ma do wykonania najtrudniejsze zadanie. Na większości power banków znajdziemy informację o napięciu 3,7 V i określonej pojemności. Tutaj pojawia się problem, ponieważ ładowany telefon korzysta z tego samego napięcia, ale do ładowania potrzebuje 5 V, w przypadku przeróżnych technologii szybkiego ładowania nawet więcej. Tutaj pomaga właśnie elektronika sterująca, która przy pomocy przetwornicy step-up podnosi napięcie ładowania do zgodnego ze standardem USB 5V. W drugą stronę, podczas ładowania power banka aktywuje się przetwornica step-down, która obniża napięcie do około 4,2 V. Zazwyczaj za wszystko odpowiada jeden układ scalony nazywany kontrolerem ładowania.
Ciepło, straty energii i ograniczenia
Niestety, przetwornice nie są urządzeniami idealnymi. Podczas pracy wydzielają się ogromne ilości ciepła, które jest niczym innym, jak zmarnowaną energią pochodzącą z wbudowanych akumulatorów. To właśnie problemy z odprowadzaniem ciepła ograniczają wydajność naszego banku energii. Kontroler posiada zabezpieczenia, które nie pozwalają przekroczyć z góry określonego prądu ładowania. Te same zabezpieczenia odcinają zasilanie w przypadku zwarcia. Na Aliexpress bez problemu znajdziemy przetwornice nie posiadające takich zabezpieczeń. Chwila nieuwagi wystarczy, aby ujrzeć dym wydobywający się z układów scalonych. W takich przypadkach przetwornica zazwyczaj nadaje się tylko do wyrzucenia. Obniżanie napięcia podczas ładowania power banku jest nieco prostsze, dzięki czemu z urządzenia nie wydziela się tak duże ciepło.
Marketing a miliamperogodziny
Wszyscy przyzwyczailiśmy się do podawania pojemności power banków w miliamperogodzinach. W zasadzie jest to tylko chwyt marketingowy, ponieważ przy dzisiejszych pojemnościach można korzystać z amperogodzin. Niestety, lepiej brzmi pojemność 10000 mAh niż 10 Ah. Tu pojawia się inny problem – pojemność ta dotyczy zamontowanych akumulatorów, nie oddawanego prądu. Prąd ładowania musi przejść przez przetwornicę (gdzie są duże straty), a następnie przez układ ładowania telefonu, gdzie jest ponownie obniżany. Jeżeli zmierzymy oddany prąd przy napięciu 5 V okaże się, że uzyskamy jedynie około 50% pierwotnej pojemności. Pomijam tu kwestię zawyżonej, czasem nierealnej pojemności podawanej przez producenta.
Czy power bank można udoskonalić?
Teoretycznie możliwe jest zastąpienie spiętych równolegle akumulatorów sekcjami po 2 połączone szeregowo. W ten sposób uzyskamy napięcie 7,4 V, co powinno ułatwić proces rozładowywania. Niestety,w tym przypadku konieczne będzie użycie przetwornicy step-up do ich ładowania. Tu pojawia się kilka problemów. Podczas ładowania akumulatory mogą się nagrzewać, co w połączeniu z rozgrzaną przetwornicą może doprowadzić do niebezpiecznej sytuacji. Istnieją kontrolery dla pakietów 2S (akumulatorów spiętych w dwie sekcje), jednak są one znacznie droższe, sam za taki zapłaciłem ponad 20 zł. Nie spotkałem się z kontrolerami pozwalającymi na ładowanie z portu USB, konieczne byłoby korzystanie z zewnętrznych przetwornic. Ostatnim problemem znów jest wykorzystywana w marketingu pojemność. Lepiej brzmi oznaczenie 3,7 V 4000 mAh, od 7,4 V 2000 mAh. W obu przypadkach zastosowane byłyby te same akumulatory w tej samej ilości. Rozwiązaniem byłoby korzystanie z watogodzin (Wh), jednak ten parametr nie jest kojarzony przez konsumentów. Sam w przyszłości podejmę się takiego eksperymentu i opublikuję wyniki.
Rozwiązanie idealne?
Na rynku brakuje ogniw o wyższej pojemności. Gdyby istniały akumulatory o napięciu 5V, możliwe byłoby wyeliminowanie przetwornicy lub przynajmniej zminimalizowanie jej znaczenia. Niestety, takie ogniwa nie istnieją i nic nie wiadomo mi na temat ewentualnej produkcji. Teoretycznie możliwe byłoby wprowadzenie do telefonów dodatkowego złącza, pozwalającego na ładowanie niższym napięciem z innych akumulatorów. W takim przypadku można by było wyeliminować jedną przetwornicę lub w pewnych sytuacjach obie. Tymczasem pozostaje nam pogodzić się z ograniczeniami technologicznymi, których nikt nie próbuje przełamać.