Caricabatterie e ricarica per smartphone: cosa c'è da sapere

Gli smartphone diventano sempre più potenti e (di conseguenza) sempre più esosi in termini di consumi: molto spesso, con una ricarica completa, non si arriva neanche a fine giornata. Quindi diventa importante avere sempre a disposizione una sorgente di energia che possa ricaricare il nostro telefono. Preferibilmente in modo veloce. Ma quali sono i caricabatterie compatibili con il mio smartphone? Come funziona la ricarica rapida? Perché invece la mia batteria si ricarica lentamente? Cerchiamo di rispondere a queste (e altre) domande in questo articolo.

C'era una volta...

I più anziani si ricorderanno che, agli albori della telefonia cellulare, la questione ricarica era una vera e propria "Babele": ogni produttore realizzava caricabatterie con tecnologie proprietarie, con i connettori più disparati e con voltaggi totalmente fantasiosi. Era praticamente impossibile sperare di poter ricaricare un cellulare di una marca con il caricabatterie di un'altra. In certi casi, addirittura, connettori e voltaggi variavano tra diversi prodotti di una stessa marca.

La "giungla" di connettori per cellulari in voga negli ultimi vent'anni. Si stava meglio quando si stava peggio? Almeno in questo caso, sembrerebbe proprio di no.

Poi, finalmente, a qualche illuminato (Unione Europea) venne in mente che forse non sarebbe stata una cattiva idea creare uno standard per limitare l'inquinamento elettronico derivante da tutti i caricabatterie ancora funzionanti, ma resi inutilizzabili dall'acquisto di un nuovo modello di cellulare.

Stiamo parlando del 2008 e lo standard "perfetto" era già stato inventato almeno un anno prima: il connettore Micro-USB tipo B era in grado di fornire 5 volt, era abbastanza sottile per essere usato in un dispositivo portatile e risolveva perfettamente anche le esigenze di trasferimento dati seriale.

E fu così che quasi tutti i più importanti produttori (cioè... "tutti a parte Apple") aderirono allo standard Micro-USB tipo B e, per quasi un decennio, abbiamo potuto serenamente caricare il nostro telefono con il primo caricabatterie che... ci capitava per le mani.

Negli ultimi anni la tendenza si sta nuovamente spostando verso Babilonia: i produttori, con la scusa di fornire soluzioni di ricarica sempre più rapide, rilasciano tecnologie sempre meno compatibili tra loro. Incredibilmente, in questo caso, è proprio Apple ad aderire alla soluzione più "standard".

Ma questo lo vedremo più tardi. Andiamo con ordine e vediamo, in prima battuta, il principio di funzionamento di un caricabatterie e come le grandezze in gioco (volt e ampere) possano influire sulla velocità del processo di ricarica.

Volt x ampere = watt

Premetto che affronterò questo argomento in maniera volutamente semplificata, nella speranza di renderlo alla portata di tutti: mi scuso in anticipo con tutti gli esperti di elettronica in ascolto.

Per capire la relazione esistente tra volt, ampere e watt, può essere utile ricorrere ad un'analogia di tipo... "idraulico". Proviamo a immaginare che: i volt stiano ad indicare la pressione dell'acqua in un tubo, gli ampere siano la portata del tubo e i watt la quantità d'acqua che esce effettivamente dal tubo.

Se volessimo, ad esempio, aumentare la quantità d'acqua che esce dal tubo (watt), al fine di diminuire i tempi di ricarica, potremmo aumentare la pressione (volt) oppure il diametro del tubo (ampere) oppure entrambi. Così, anche se in maniera poco rigorosa, possiamo intuire la regola: volt x ampere = watt.

Per tornare alla batteria del nostro smartphone, immaginiamola come una "cisterna" in grado di accumulare acqua per utilizzi futuri.

Il rubinetto/caricabatterie riempie la cisterna/batteria in modo che l'utilizzatore/smartphone possa avere acqua/energia a disposizione anche quando non è collegato al rubinetto.

Le "cisterne" nei nostri smartphone sono (perlopiù) batterie agli agli ioni di litio, che hanno caratteristiche ben precise per quanto riguarda i voltaggi in gioco:

• tensione nominale = 3,7 volt
• tensione massima = 4,2 volt (batteria completamente carica = 100%)
• tensione minima = 2 volt (batteria completamente scarica = 0%)

Come già spiegato in quest'altro articolo, è molto importante non superare i limiti superiore e inferiore per non danneggiare irreparabilmente la batteria.

Adesso siamo anche in grado di capire perché la tensione di 5 volt dello standard USB risulti particolarmente ideale per questo scopo: un voltaggio troppo inferiore potrebbe non essere sufficiente per "riempire" la batteria, un voltaggio troppo superiore richiederebbe uno sforzo eccessivo per essere limitato ai 4,2 volt massimi sopportabili.

Capacità delle batterie e milliamperora

Fermo restando che tutte le batterie agli ioni di litio hanno le medesime caratteristiche in termini di voltaggio, quello che le distingue è la quantità di energia che riescono ad accumulare: una cisterna più grande potrà fornire acqua più a lungo di una cisterna più piccola.

La capacità delle batterie si misura in milliamperora (mAh). Molto semplicemente: si tratta della quantità di ampere che la batteria è in grado di fornire continuativamente per un'ora prima di scaricarsi del tutto.

Ad esempio: se ipotizziamo una batteria da 1000 milliamperora (1 amperora) collegata a uno smartphone che "succhia" 100 milliampere, avremo un'autonomia di 1000 mAh / 100 mA = 10 h (10 ore).

Tempi di ricarica

Il tempo necessario per ricaricare una batteria è molto simile al tempo di scarica: per ricaricare la batteria da 1000 mAh dell'esempio visto sopra, serviranno 10 ore se il circuito di ricarica assorbe 100 mA, 5 ore se assorbe 200 mA, 1 ora a 1000 mA e... via dicendo.

In realtà, come si vede in figura, la curva carica/tempo di una batteria agli ioni di litio, non è lineare: quando il livello di carica arriva più o meno in prossimità della tensione nominale (3,7 volt), diventa sempre più difficile "spingere" energia dentro alla batteria e, di conseguenza, i tempi si allungano. Esattamente come avviene nel riempimento di una cisterna, quando la sua pressione interna si avvicina ad eguagliare quella dell'acqua in ingresso.

USB Battery Charging

Anche se in modo molto empirico, abbiamo capito che, ad una maggiore quantità di corrente, corrisponde un tempo inferiore di ricarica.

Chi decide quanti milliampere far scorrere dal rubinetto? E' sempre l'utilizzatore. Nel nostro caso: il circuito di ricarica dello smartphone.

Infatti avrete certamente notato che, il più delle volte, ricaricare uno smartphone tramite una porta USB del PC richiede tempi molto più lunghi rispetto all'uso del caricabatterie dedicato. Questo avviene perché lo standard USB prevede che le porte dei PC forniscano un massimo di 500 mA (900 mA se USB 3.0) e, tentare di assorbirne di più, potrebbe portare ad effetti indesiderati come lo spegnimento improvviso del PC o, peggio, il danneggiamento della porta stessa.

Ma come fa il circuito di ricarica dello smartphone a stabilire quanti milliampere può assorbire? Come fa a capire se è collegato alla porta di un PC o ad un alimentatore dedicato?

A questo scopo, nel 2009, è stata introdotta una specifica detta USB Battery Charging che divide le porte USB in due categorie:

• CDP (Charging Downstream Port): porte USB che consentono contemporaneamente il trasferimento dati seriale e la ricarica,
• DCP (Dedicated Charging Port): porte USB dedicate esclusivamente alla ricarica.

Nel primo caso l'utilizzatore può assorbire al massimo 500 mA. Nel secondo vengono sfruttati i due pin inutilizzati del trasferimento dati per fornire indicazioni sulla quantità massima di ampere che l'alimentatore può fornire. Il circuito di ricarica dello smartphone deve essere in grado di distinguere queste situazioni e regolare, di conseguenza, la corrente assorbita per non danneggiare la sorgente.

Limiti fisici

Se siete riusciti a seguire il discorso finora senza morire di noia, vi starete domandando: beh, che problema c'è: per velocizzare i tempi di ricarica è sufficiente aumentare a piacere la quantità di milliampere da "pompare" nella batteria, no?

Purtroppo... no, non è così semplice. Esistono limiti "fisici" alla quantità di corrente che si può usare per questo scopo:

• Dimensioni dei conduttori: qualche paragrafo fa abbiamo imparato che, per aumentare la portata di un flusso, è necessario aumentare il diametro del "tubo" che lo trasporta. Questo è vero anche in elettronica: maggiore è la quantità di ampere da trasportare, maggiore deve essere la dimensione del conduttore. Avete presente il diametro dei cavi per l'avviamento di emergenza di un'auto? Vi siete mai chiesti perché siano così grossi? Adesso pensate ai circuiti super-miniaturizzati dei vostri preziosissimi smartphone. Una bella differenza, vero? Senza entrare troppo in dettaglio, è sufficiente sapere che, le esigenze di miniaturizzazione e la tecnologia attuale, non consentono amperaggi superiori a 4-5 ampere.
• Temperatura: il processo di carica (ma anche di scarica) di una batteria scatena una reazione chimica esotermica (e qui il nostro caro paragone "idraulico" ci abbandona). Il conseguente aumento di temperatura è proporzionale alla quantità di corrente utilizzata per la ricarica. Come abbiamo avuto modo di leggere nell'articolo "Dieci miti da sfatare sulle batterie agli ioni di litio", temperature superiori a 35-40 gradi sono dannose per la batteria. Quindi anche questo è un altro fattore importante di cui bisogna tenere conto.

Nonostante questi limiti, i produttori sono sempre alla ricerca di nuove soluzioni per ridurre sempre di più i tempi di ricarica. I fattori su cui c'è margine di miglioramento (anche se non molto) sono principalmente due:

• Materiali delle batterie: per renderli più resistenti alle alte temperature e per limitare la quantità di litio che, inevitabilmente, tende ad accumularsi sull'anodo.
• Circuiti di ricarica "intelligenti": in grado di modulare la quantità di corrente in base alle condizioni della batteria (temperatura, livello di carica, invecchiamento, ecc.).

Tecniche di ricarica veloce

Come accennato brevemente all'inizio dell'articolo, da qualche anno a questa parte, i produttori di smartphone stanno sviluppando tecnologie proprietarie, incompatibili tra loro, per ottimizzare i tempi di ricarica. Fortunatamente si tratta di soluzioni sempre compatibili "all'indietro" con lo standard USB Battery Charging: cioè è sempre possibile usare caricatori USB generici al posto di quelli originali. I tempi di caricamento naturalmente si allungano, ma lo smartphone in qualche modo si carica e, soprattutto, non corre il rischio di venire danneggiato.

• Qualcomm - Quick Charge™ è lo standard di fatto per tutti gli smartphone che usano i chipset della serie Snapdragon. Le ultime versioni, oltre a modulare la quantità di ampere, consentono anche di negoziare il voltaggio tra alimentatore e smartphone: in questo modo riescono a ridurre il surriscaldamento dei conduttori. E' stata introdotta nel 2013 e, da allora, è in continua evoluzione:
  • QC 1.0 (2013): è in grado di fornire 5V fino ad un massimo di 2A.
  • QC 2.0 (2015): può fornire 5V a 3A, 9V a 2A e 12V a 1,67A.
  • QC 3.0 (2016): consente di negoziare con lo smartphone voltaggi variabili da 3,6V a 20V (in incrementi di 200mV) in base allo stato di carica e temperatura della batteria. Grazie all'algoritmo proprietario INOV (Intelligent Negotiation for Optimal Voltage).
  • QC 4.0 (2017): implementata compatibilità con USB Power Delivery.
• Motorola - Turbopower™ è la Quick Charge 2.0 di Qualcomm rebrandizzata.
• Huawei - Supercharge™ introdotta nel 2016 è una tecnologia relativamente recente. Consente voltaggi variabili da 4,5 a 5 volt fino ad un massimo di 5 ampere! A causa delle correnti elevate in gioco, richiede batterie e cavi appositamente realizzati.
• OnePlus - Fast Charge™ (era "Dash Charge" fino al 2018) simile per caratteristiche alla Supercharge di Huawei, usa la stessa tecnica di aumentare gli ampere invece dei volt, ma, grazie ad una particolare tecnica di interfacciamento tra smartphone e alimentatore, riesce a spostare la maggior parte del surriscaldamento su quest'ultimo. Richiede l'uso del caricabatterie e del cavo forniti con lo smartphone.
• Samsung - Adaptive Fast Charging™ introdotta nel 2014, sostanzialmente non ha subito modifiche da allora. Fornisce 5V fino ad un massimo di 2A. E' una tecnologia molto conservativa e una delle meno performanti.
• USB Power Delivery™ è il tentativo dell'USB-IF [USB Implementers Forum] di riportare nuovamente ordine nel caos delle tecnologie di ricarica rapida (obbiettivo raggiunto in precedenza con l'USB Battery Charging per i connettori Micro-USB tipo B) definendo uno standard anche per l'utilizzo del connettore Micro-USB tipo C. Adottata negli smartphone di Google e Apple, è più una specifica tecnica che non una tecnologia vera e propria: sta poi ai singoli produttori implementare soluzioni compatibili con lo standard. Consente potenze teoriche fino a 100 watt. Inoltre dispone di un protocollo che definisce la direzione del flusso di alimentazione. Ad esempio: collegando due smartphone tra loro, si può decidere quale dei due ricaricherà la batteria dell'altro. Trattandosi di uno standard, non può trarre vantaggio da accorgimenti particolari nella costruzione di batterie e caricabatterie, come avviene per alcune delle altre soluzioni proprietarie, di cui, pertanto, risulta essere meno performante.

Le performance delle più diffuse soluzioni di ricarica veloce (tratto da XDA Developers).

Domande frequenti

• Posso usare un caricabatterie USB "generico" per caricare il mio smartphone? Sì, l'importante è che sia in grado di fornire una quantità di ampere uguale o superiore a quella del caricatore originale. Per avere tempi di ricarica paragonabili a quelli del caricatore fornito in dotazione, deve essere compatibile con la stessa tecnologia di ricarica rapida, altrimenti ci si dovrà accontentare di tempi più lunghi.
• Posso usare il mio vecchio caricabatterie Micro-USB tipo B con un adattatore Micro-USB tipo C per caricare il mio nuovo smartphone? Sì... come sopra: solo se gli ampere forniti sono sufficienti e, molto probabilmente, con tempi di ricarica peggiori.
• Posso caricare il mio smartphone con un voltaggio superiore per accelerare i tempi di ricarica? Assolutamente no. Abbiamo visto che alcuni metodi di ricarica rapida utilizzano questa tecnica, ma solo in presenza di soluzioni hardware dedicate: tentare di fare la stessa cosa in modo "artigianale", può causare danni irreparabili allo smartphone.
• Posso caricare il mio smartphone con un amperaggio superiore per accelerare i tempi di ricarica? No. Aumentare l'amperaggio non ha nessuna rilevanza, in quanto il circuito di ricarica assorbirà il tanto per cui è stato predisposto. Nulla di più. In questo caso non si corre il rischio di danneggiare il dispositivo, ma allo stesso modo non si avrà nessun beneficio.
• La ricarica rapida accorcia la vita della batteria? E' difficile rispondere a questa domanda perché non esistono studi di terze parti al riguardo. In base a quello che sappiamo, una risposta verosimile potrebbe essere: "sì, ma in modo non rilevante". La riduzione dei tempi di ricarica comporta un inevitabile riscaldamento dei componenti e, sapendo che le batterie al litio non gradiscono temperature sopra i 35-40 gradi, è lecito pensare che un degrado ci debba pur essere. Tuttavia i produttori spergiurano di aver implementato soluzioni in grado di salvaguardare la durata delle proprie batterie. Per dovere di cronaca: Supercharge e USB-PD sono quelli che generano più calore, mentre Adaptive Fast Charging e Quick Charge sono le tecnologie più... "cool".

In conclusione

Sperando di aver risposto alla maggior parte delle curiosità riguardanti ricariche e affini, rimango in attesa dei vostri pareri e commenti per completare questo articolo anche in base alle vostre idee ed esperienze.