Как устроен аккумулятор планшета

Обновлено: 04.07.2024

Тысячи мобильных гаджетов нуждаются в бесперебойных поставках энергии в свои маленькие тела. Энергоносителем для таких устройств выступают аккумуляторы, запасающие электричество в ячейках. В отличие от обычных батареек, они способны выдержать до 15 000 циклов заряда-разряда.

Устройство аккумулятора

Классическая батарея — банка с положительно заряженным графитовым анодом и отрицательно заряженным катодом, между которыми находится пористая прокладка, покрытая активным веществом — электролитом. Электрический заряд хранит в себе положительно заряженные ионы, выстраивающиеся в кристаллическую решетку токопроводящего электролита. При зарядке, ток гонит ионы к аноду, при разрядке они меняют свое направление, отправляясь обратно к катоду.

Сейчас выделяют три основных типа перезаряжаемых батарей: металл-гидроидные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd) и литий-ионные (Li-ion).

В свою очередь литиевые подразделяются на кобальтовые, марганцевые и титанатные. Именно о них мы и поговорим в данном блоге, ведь только Li-ion оптимально зарекомендовали себя среди мобильных устройств.

Литиевое семейство

LiCoO2 — химическое соединение литий-кобальта, которое отличается высокой энергоемкостью с номинальным напряжением в 3,6 В и пиковым — 4,2 В. Легкие, емкие, быстро заряжаются и гарантированно обеспечивают стабильную работу шуруповерта, ноутбука, телефона на протяжении до 1000 перезарядок. Единственный минус — высокая цена кобальта, из которого делают катод.

LiMn2O4 — литий-марганцевые батареи имеют более высокое напряжение при сниженном жизненном цикле — 700 перезарядов. Применяются в энергоемких гаджетах.

LiNiMnCoO2— удачный результат симбиоза, получивший неоспоримое преимущество. Литий-никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы могут перезаряжаться до 2000 раз, в каждой банке до 2800 мА·ч. Используются для создания источников питания для автомобилей, гироскутеров.

Li4Ti5O12 — литий-титанатный конкурент вышеописанного аккумулятора. Заряжается в 5 раз быстрее, но выдает низкий ток и не так энергоэффективен. Размер батареи на 200-300% больше LiNiMnCoO2 при равном объеме, из-за этого не может применяться в носимых устройствах. Литий- титанатные аноды испускают дух только после 15 000 циклов и эффективно противостоят холоду, поэтому их используют в Московских электробусах.

Li-pol — литий-полимерные аккумуляторы на 25% энергоэффективнее, но при этом быстрее деградируют, способны перезаряжаться около 1000 раз. Полимер позволяет делать батарею гибкой, благодаря этой технологии появилось большое количество сгибаемых портативных устройств.

Отрицательная черта всего семейства литий-ионных батарей — чувствительность к сильным токам и страх перед полной разрядкой. Под высокой нагрузкой они теряют часть «жизненных сил» и быстрее выходят из строя. Решают эту проблему контроллеры заряда, следящие за силой тока и нагревом батарейки. Чем полней коробочка, тем жарче внутри, именно поэтому быстрая зарядка работает только до 50%, затем интенсивность заполнения емкости снижается. Подробнее можно ознакомиться здесь.

Проблема недержания

Отработав несколько сотен циклов, батарея начинает деградировать, частично теряя способность удерживать заряд. Процесс заполнения батареи энергией похож на накачку водонапорной башни. Чтобы поднять жидкость вверх, потребуется энергия, назад вода бежит своим ходом. Тоже происходит и с ионами, чтобы оторвать их от катода, требуется ток, от анода они убегают самостоятельно.

Тепло и мороз

Высокие температуры, равно как и мороз, негативно влияют на поведение накопителя. Набившись стайкой в банку, ионы провоцируют повышение градуса по Цельсию. Каждый раз, когда аккумулятор «жарится» под нагрузкой или при зарядке, часть ионов слипается, лишаясь возможности двигаться и передавать энергию.

Холод тоже негативно влияет на способность батареи к удержанию энергии и способен нанести необратимый урон. Почему аккумуляторы теряют стойкость на морозе и как уберечь свой гаджет от быстрой потери заряда, вы можете прочитать в блоге на эту тему.

Кислая проблема

С точки зрения химии в батарее происходит окислительно-восстановительный процесс, его проявление иногда заметно на поверхности батарей, покрывшихся белым/зеленым порошком — окисью. Катод и анод предают энергию через коллектор тока, связанный с ними клейким материалом. Со временем «сцепка» осыпается из-за циклов нагрева и охлаждения, обнажая алюминиевую ножку коллектора. Анод передает эстафету коррозии коллектору, который по своей ножке поднимает окись вверх. Катод состоит из графита, который может покрыться налетом, но передать окись металлу не способен. Иногда к ним присоединяется электролит, выливающийся из-за повреждения банки, слишком разросшимся кристаллом — это процесс сопровождается вздутием. Батарея — должна быть герметична, если окись вышла посмотреть, что делается в большом мире, внутри полный аут, остается только выкинуть.

Что в итоге?

Идеальных аккумуляторов не существует, более чем за 100 лет производства инженеры разработали десятки видов накопителей энергии, но не смогли создать универсального. Подбирая аккумулятор, необходимо ориентироваться на конкретные задачи, выбирая между объемом и мощностью.

Электронная "начинка" рядового планшетника

Компьютером сейчас никого не удивишь, а уж планшетником тем более . Наверняка наши потомки будут считать, что планшетные ПК появились раньше ноутбуков и нетбуков. И это не удивительно, ведь за свою скромную историю планшетные ПК завоевали огромную популярность.

Для всех желающих предлагаю ознакомиться с электронной начинкой планшетного компьютера.

В моих руках оказался планшетник Ritmix RMD-825. Да, модель бюджетная, дешёвая, но состав планшетников, как правило, отличается лишь мощностью «комплектухи», принципиальной разницы в устройстве нет.

Что внутри планшета?

Планшетник Ritmix RMD-825 вскрывается легко, две части корпуса соединяются защёлками. Я вскрывал специальным вскрывателем, который часто используется при ремонте сотовых. Под крышкой обнаружил вот что.

Дисплей (матрица, экран). В данном случае TFT. LCD-матрицы на тонкоплёночных транзисторах (Thin Film Transistor) весьма распространены и дёшевы. Модель матрицы – GL080001T0-50 V1.

Литиевый аккумулятор Li-polymer на 3,7V ёмкостью 3000 mAh.

Аккумулятор имеет встроенный контроллер заряда/разряда. Более подробно об его устройстве и алгоритме работы я уже рассказывал на страницах сайта.

Печатная плата требует отдельного рассмотрения.

Процессор.

Также недалеко от процессора можно обнаружить микросхему задающего генератора на 24 МГц. Маленькая такая деталь, но весьма важная.

Аналогичные чипы применяются в твёрдотельных накопителях (SSD-дисках) и USB-флэшках.

"Оперативка" планшетника - это две микросхемы H5TQ2G83CFR DDR3 SDRAM-памяти по 2Gb (2 гигабит) каждая. В даташитах на микросхемы памяти всегда указывается память в битах, а не байтах! А если уж быть ещё точнее, то в данной микросхеме 2147483648 бит. Чуть больше, чем 2 миллиарда бит. Корпус H5TQ2G83CFR – BGA, то есть микросхемы запаяны пузом на плату через шарики припоя.

Wi-Fi модуль.

За Wi-Fi отвечает USB-модуль беспроводной связи на базе чипа Realtek RTL8188CUS.

К схеме он подключается посредством 6 контактов. 2 из них – это общий провод (GND). Далее плюс питания +3,3V и два контакта – интерфейс USB (USB_DP и USB_DN). К контакту RF подключается антенна, которая выглядит как медная пластинка причудливой формы.

Цепи питания.

За питание отвечает контроллер питания – микросхема AXP209. В её обвязке можно обнаружить множество катушек индуктивности и ключевых транзисторов. Бывает, что эта микросхема выходит из строя.

С контроллером питания иногда связаны весьма неприятные поломки. Так, при его неисправности планшет может не заряжать встроенный аккумулятор, хотя индикация заряда может отображаться на дисплее планшета. Сам же планшет работает только при подключенном зарядном устройстве.

Такая неисправность приводит к тому, что встроенный литиевый аккумулятор разряжается до минимума и отключается встроенным контроллером заряда/разряда.

Как правило, планшет в таком случае отправляется на полку или в ящик стола, где валяется несколько месяцев. Аккумулятор же за это время ещё сильнее разряжается и переходит в стадию "клинической смерти". Если и удаётся восстановить такой аккумулятор, то его ёмкость заметно снижается, а иногда после зарядки он просто вздувается.

Именно поэтому настоятельно рекомендуется сразу нести планшетник в ремонт, а не откладывать на 2–3 месяца. Также не стоит затягивать с ремонтом, когда сломался microUSB-разъём, через который заряжается планшет.

Управление тачскрином.

FT5306DE4 – контроллер ёмкостной сенсорной панели. Данный контроллер используется для работы с сенсорными панелями размером от 4,3”до 7”. С главным процессором FT5306DE4 связывается по интерфейсу I 2 C или SPI.

Как и любой планшет, RMD-825 имеет такие элементы, как вибромотор (приклеен клеем к матрице), миниатюрный динамик, микрофон. Также на плате есть разъём для SD-карт, разъём для подключения USB шнура, выход на наушники, коннектор питания. Думаю, не стоит говорить, что такие элементы, как разъёмы, кнопки и коннекторы чаще всего выходят из строя.

Ну и напоследок, посмотрим, как делают планшеты на китайских фабриках. Удивительно то, как ещё много в этом процессе ручного труда – думал, что всё уже давно штампуют роботы:)

Замена аккумулятора на планшете – процедура, которая продлит срок службы девайса. Характеристики установленной аккумуляторной батареи со временем меняются, и пользователи замечают, что планшет быстрее разряжается. Снижение емкости АКБ – процесс деградации, и он идет быстрее по мере того, как часто пользуются электронным устройством. За 2 – 3 года емкость может упасть больше, чем на половину. Чтобы не дожидаться, пока аккумулятор «выдохнется», его заменяют.

Замена аккумулятора на планшете нужна, чтобы продлить срок службы гаджета.

Основные причины замены аккумулятора на планшете

Когда все нормально работает, незачем лезть в устройство гаджета. Но есть явные признаки, свидетельствующие, что пора ставить новый источник питания:

зарядное устройство подключено, но аккумулятор не получает заряд. Первое, на что смотрят в такой ситуации – состояние зарядки и всех контактов;
батарея заряжается очень долго;
индикация состояния зарядки работает неисправно, а сам планшет быстро получает и теряет заряд;
гаджет перестал включаться. Конечно, надо быть уверенным, что дело не в других компонентах.

Неопытные пользователи начинают ругать производителя, сетуя на некачественную продукцию. Но если дело в аккумуляторе – это сравнительно пустяковый момент. К АКБ следует относиться как к расходному материалу – это «банка», питающая электронное устройство, и у нее есть свой ресурс.

Можно и дальше пользоваться планшетом, достаточно заменить батарею. Делается это несложно, но компаний, выпускающих планшеты, немало, и для каждой модели свой порядок замены.

Выбор аккумулятора на замену

Ориентироваться надо на установленную в текущий момент АКБ. «Химия» у батарей разная, и чтобы узнать какая, надо изучить характеристики. Обычно об этом пишется на самом источнике питания, но если девайс собран, все данные предоставит программа типа AIDA64. Как правило, в планшетные компьютеры ставят литий-полимерные (Li-pol) или литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.

Подбирая замену, надо точно узнать размеры батареи. Чтобы не возиться с замерами, обычно берут «отживший» источник питания с собой в магазин. Другой момент – емкость. Нужна такая же или больше, но размеры аккумулятора должны оставаться теми же. Более емкая АКБ выйдет дороже, но она обеспечит лучшую автономность планшета.

Параметр, который важно соблюдать при поиске замены – вольтаж аккумулятора. Есть два стандарта:

3.7 В – для батарей, заряжаемых зарядным устройством на 5 В;
7.4 В – ЗУ на 9 – 12 В.

«Слабый» аккумулятор тоже ставить не рекомендуется. Мало того, автономность будет маленькая, так еще встроенный в батарею контроллер может не справится с высоким током заряда.

Что потребуется для замены

Планшеты разных производителей различаются конструкцией, и единого алгоритма снятия старой и установки новой батареи нет. В целом, порядок действий идентичен и не представляет собой ничего сложного. Прежде чем начинать работы, надо подготовить материалы и инструменты. Что понадобится:

фигурная отвертка;
лопатка из пластика для открытия защелок (или старая сим-карта);
пинцет;
бокорезы;
двухсторонний скотч;
низковольтный паяльник;
припой.

Процесс замены

Поставить новую батарею в планшет – не такая уж сложная задача, как можно себе представить. Но если опыта нет, а устройство довольно дорогостоящее, то лучше не рисковать и сдать гаджет в сервисный центр, где мастера выполняют такие работы по несколько раз на день.

В сервисном центре

Если нет времени или желания знакомиться с такими инструментами как отвертки, кусачки, тем более паяльник, можно доверить работу мастеру сервисного центра. Он и будет нести ответственность за проделанные манипуляции, и должен дать гарантию.

Если отталкиваться от прайс-листов сервисов, цена за услугу по замене аккумулятора в планшете – 800 – 1500 рублей. Естественно, в крупных городах дороже. Сама батарея покупается отдельно. Если включить стоимость запчастей, сумма – 3000 – 4000 рублей.

Желательно обращаться в проверенные организации, так как в этой сфере деятельности нередко халтурят – устанавливают контрафактные элементы, которые, в отличие от оригинальных, в разы дешевле и имеют иные характеристики.

Своими руками

Корпуса флагманских планшетов нередко стягиваются саморезами. Но обычные модели собраны на защелках. В первую очередь надо вскрыть корпус. Если саморезов не видно, то может быть непонятно, где находятся защелки и как их открывать. Достаточно вставить лопатку в щель корпуса и покачать ее, определив тем самым, как устроены защелки, отсоединяющие крышку.

Под крышкой обнаружится плоский аккумулятор. На флагманских моделях он крепится на саморезы, но обычно применяется двухсторонний скотч. Прежде чем снимать АКБ, вооружившись пинцетом, отсоединяют с нее шлейфы, не перегибая. Кроме того, батарея присоединена к материнской плате. На дорогих планшетах два провода вставлены в разъем, а на простых – они припаяны.

Расположение аккумулятора внутри корпуса планшета.

Бокорезами откусывают разъем, оставляя провода на 2 – 3 см, чтобы потом к ним припаять аккумулятор. Чтобы отпаять кабеля от платы, берут паяльник с тонким жалом. Прогретым инструментом касаются к месту пайки провода и отсоединяют его. Важно не перегреть жало, иначе так легко повредить дорожки платы. Припаивают аналогичным образом. Для смачивания паяемых элементов пригодится флюс, достаточно одной капли. Удобнее работать с трубчатым припоем, где флюс уже предусмотрен.

В ходе пайки важно не перепутать полярность источника питания. «Плюс» – красный или коричневый кабель, «минус» – черный или синий. Закончив с пайкой, смотрят, чтобы на материнской плате не было замыканий между площадками. Подсоединенные провода изолируют.

Дальнейшие действия те же, что и при разборке, только в обратном порядке – устанавливают батарею и собирают корпус. Все кабеля и шлейфы должны быть расположены на своих местах, иначе свободного места под крышкой может не хватить, и она не закроется.

Особенности замены для конкретных фирм

Замена аккумулятора в планшете своими руками – реальная задача, но ее сложность зависит от конструкции гаджета. Сейчас много «неразборных» устройств, но и до их «железа» можно докопаться.

Замена АКБ на планшете Samsung Galaxy Note 8.0:

Крышка гаджета держится на защелках. Чтобы ее снять поддергивают один ряд защелок и тянут в противоположную сторону.
От батареи отсоединяют шлейф.
По периметру откручивают винты.
Извлекают источник питания.

Замена на планшетном ПК PocketBook A10:

Как и в Самсунге, Леново и других моделях среднего класса, крышка крепится на защелки. Снимается она так – поддевают одну из сторон и тянут от себя.
Отщелкивают заднюю рамку по периметру.
Отключают от батареи коннектор.
Извлекают приклеенный аккумулятор.

Замена на Acer Iconia Tab:

Снимают заднюю панель.
Откручивают винты, держащие экран.
Переворачивают планшет и поддевают дисплей, затем приподнимают его и отсоединяют шлейф.
Разворачивают девайс как книгу.
Отсоединяют шлейф аккумулятора и снимают его.

Прежде чем собирать планшет, проверяют работу кнопок, наличие люфтов. Если девайс включается, смотрят, нормально ли он работает. Если не запускается, ставят на зарядку. К слову, новые источники питания требуют калибровки. Как это правильно делать – написано в инструкции к конкретной модели, но обычно она сводится к полной зарядка и разрядке, и так несколько раз.

Внутреннее содержание

Вскрыв корпус, можно увидеть, что составных деталей внутри очень мало. Основная материнская плата занимает примерно половину пространства корпуса, столько же отведено для батареи. Вся плоскость в передней части занята тонкой пластиной экрана. И все — остальные мелкие детали вроде гнезд и разъемов подключения часто располагаются прямо на материнской плате. Отдельно стоит только вибромотор. Рассмотрим подробнее, за счет чего работает планшет.

Материнская плата

Секрет маленьких размеров устройства — минимальные преобразования и низкое потребление энергии. Материнская плата обычного компьютера несет на себе множество цепей согласования и преобразования напряжений, есть даже блоки, отвечающие за эти процессы. Устройство планшета, напротив, является результатом применения подхода максимальной совместимости.

Центральный процессор

Небольшая микросхема в центре печатной платы — вычислительный центр. Размером с контроллер моста у «большого» компьютера, этот маленький чип не оборудован радиатором, а тем более вентилятором. Он выделяет очень мало тепла. Но одновременно это многоядерная вычислительная структура, способная выполнять сотни тысяч операций в секунду и больше.

Вокруг процессора персонального компьютера — десятки конденсаторов и цепей управления питанием. Рядом с процессором планшета расположен всего один блок — задающий генератор. Даже по сравнению с маленькой микросхемой процессора он выглядит крошечным и незаметным.

Постоянное запоминающее устройство

Место, где «прошита» операционная система и хранятся данные пользователя. Это всего одна микросхема перезаписываемой флеш-памяти. В зависимости от модели планшета она может иметь разный объем.

Блок памяти для промежуточных данных и вычислений. Обычно это пара микросхем еще меньшего размера, чем ПЗУ. С объемом этой памяти работают программы и службы операционной системы во время функционирования планшета. Здесь же производится промежуточная обработка данных, полученных от камер или микрофона.

Модули беспроводной связи

Bluetooth и Wi-Fi находятся обычно на самом краю материнской платы, чаще всего в углу. Вызвано это необходимостью дополнительной антенны и буферного источника питания. Антенна представляет собой полоску пластика с нанесенным медным покрытием. В качестве буфера питания выступает маленький аккумулятор в 3,3 В.

Управление питанием

Блок, действительно работающий «на износ», — центр распределения питания. В функции этого модуля входит преобразование напряжений, контроль уровня заряда аккумулятора, а также параметров напряжения, приходящих «снаружи» — от зарядного устройства, присоединенного компьютера или внешнего устройства. От правильности работы этого модуля зависит функционирование всех внешних портов и камер. Построен этот блок на одной-единственной микросхеме. Неудивительно, что она часто выходит из строя.

Система обработки тачскрина

Экран, точнее, рабочий комплекс матрицы соединен со своим контроллером с помощью довольно тонкого шлейфа. По нему передаются все данные от датчиков емкостного слоя о движениях пальцев пользователя. Задача контроллера тачскрина — обработать и преобразовать полученные сигналы в цифровой формат. Эти данные, в свою очередь, обрабатываются операционной системой и преобразуются в видимые пользователю визуальные реакции, а также соответствующие действия.

Это были устройства и блоки, которые расположены на материнской плате.

Устройство экрана планшета

Конструктивно дисплей состоит из нескольких слоев. Сегодня практически не встречаются экраны с резистивной технологией, поэтому не будем их рассматривать.

Емкостные экраны для определения прикосновения используют простой принцип. Чувствительный элемент представляет собой, грубо говоря, сетку из двух слоев перпендикулярно расположенных проводников. Они очень тонкие, а сетка настолько мелкая, что не воспринимается глазом. Когда на проводники подается напряжение, контроллер тачскрина фиксирует уровень возникшего поля. Пользователь подносит палец. Он тоже токопроводящий, поэтому изменяет поле проводников. По изменению двух сигналов — от разных слоев сетки — контроллер определяет, в каких координатах произошло касание.

Еще один слой формирует изображение. Существует несколько технологий, основанных на различном ориентировании кристаллов. Например, IPS-матрица в выключенном состоянии — черная и непрозрачная. При подаче напряжения кристаллы поворачиваются, пропуская свет. В зависимости от угла, на который «повернута» ячейка одного из трех составных цветов, образуется точка нужного цвета.

Матрица типа TN-Film, грубо говоря, «крутит кристаллами в другую сторону». В выключенном состоянии она прозрачная.

Нижний слой — подсветка. Не вдаваясь в детали, это панель, которая светится с разной силой в зависимости от поданного напряжения. На этом ее работа заканчивается.

И главный слой, по которому постоянно водят пальцами, — защитный. Благодаря тому, что емкостной сенсор не требует деформации для определения касания, сегодня встречаются всевозможные конструкции — пластиковая пленка, пластина, даже слой закаленного или сапфирового стекла.

Аккумулятор

Если описывать внутреннее устройство и принцип работы литий-полимерного источника, можно написать научную статью. Устройство батареи планшета сложное, обязательно включает в себя блок энергоячеек и контроля состояния. От блока мониторинга приходят данные на материнскую плату.

Модуль контроля может запретить работу аккумулятора, если его заряд упал ниже предельного, технически допустимого. Аккумулятор можно «завести» от более мощного источника питания, но планшет сгорит при попытке. Поэтому контроль питания материнской платы и блок мониторинга состояния батареи работают в паре, чтобы не допустить аварийных режимов.

Почему планшеты разные?

Можно спросить — а почему так отличаются конструкции, если внутри все одинаковое? У некоторых планшетов все разъемы с одной стороны, у других — равномерно распределены. Где-то камеры по центру, где-то внизу или в углу.

Ответ прост. Все зависит от разработчика и сборщиков. Проще наладить производственную линию, где автомат соберет материнскую плату со всеми портами и разъемами. От сборщика потребуется установить дисплей, прищелкнуть плату, аккумулятор и соединить все шлейфами. И получится — порты и кнопки в кучу, зато дешево.

Чем дороже планшет, тем лучше сборка

Можно сделать отдельные платы для разъемов, предусмотреть для них место, вынести камеры на отдельные посадочные места. Словом, нанять квалифицированный и аккуратный персонал. Зато получится удобное устройство с продуманной эргономикой.

Так что в планшете главное — не только начинка, но и уровень квалификации сборщиков и усердие разработчиков.

Читайте также: