افت تبدیل ۳.۷ به ۵ ولت: چرا پاوربانک شما ۳۰ درصد کمتر از ظرفیت اسمی‌اش شارژ می‌دهد؟

هنگامی که انجمن مجریان USB مشخصات USB Power Delivery (PD) نسخه ۳.۱ را در می ۲۰۲۱ نهایی کرد، محدودیت‌های شارژ را به ۲۴۰ وات رساند و سرعت دریافت انرژی توسط دستگاه‌های قابل‌حمل را اساساً تغییر داد. اما در حالی که سرعت شارژ چند برابر شد، ریاضیات پایه‌ای حاکم بر ظرفیت باتری همچنان درگیر یک محدودیت فیزیکی باقی ماند: عدم تطابق ولتاژ بین سلول‌های داخلی لیتیوم-یون و خروجی‌های USB. خرید یک پاوربانک ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی در حال حاضر تضمین نمی‌کند که ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت شارژ به گوشی شما منتقل شود.[7]

این اختلاف از نحوه اندازه‌گیری و بازاریابی ذخیره انرژی توسط تولیدکنندگان ناشی می‌شود. رقم درشتی که روی جعبه محصول چاپ می‌شود - معمولاً ۱۰۰۰۰ یا ۲۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت - نشان‌دهنده ظرفیت کل سلول‌های داخلی باتری در ولتاژ بومی آن‌هاست. این عدد مقدار برقی را که در واقع از پورت USB خارج می‌شود، نشان نمی‌دهد.[1][2]

درون تقریباً هر شارژر همراه مدرنی، مجموعه‌ای از سلول‌های لیتیوم-یون یا لیتیوم-پلیمر قرار دارد. این باتری‌های شیمیایی با ولتاژ اسمی ۳.۷ ولت کار می‌کنند. با این حال، استاندارد پایه USB حکم می‌کند که برای شارژ ایمن دستگاه‌های خارجی، برق باید با ولتاژ ۵.۰ ولت تحویل داده شود.[4][6]

برای پر کردن این شکاف ۱.۳ ولتی، پاوربانک به یک مدار مبدل افزاینده داخلی متکی است. این قطعه جریان ۳.۷ ولت را پیش از عبور از کابل به ۵ ولت مورد نیاز افزایش می‌دهد. از آنجایی که کل انرژی در طول این تبدیل باید ثابت بماند، افزایش ولتاژ به طور متناسب میلی‌آمپر ساعت در دسترس را کاهش می‌دهد.[1][6]

فرمول ریاضی برای این تبدیل ساده است. ضرب ظرفیت تبلیغ‌شده در ولتاژ داخلی، و سپس تقسیم آن بر ولتاژ خروجی، حداکثر خروجی نظری را نشان می‌دهد. برای یک دستگاه استاندارد ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی، محاسبه به این صورت است: ۱۰۰۰۰ ضربدر ۳.۷، تقسیم بر ۵.۰.[4][5]

نتیجه این محاسبه ۷۴۰۰ میلی‌آمپر ساعت است. تنها با افزایش ولتاژ به استاندارد USB، ۲۶ درصد از میلی‌آمپر ساعت تبلیغ‌شده از ظرفیت قابل‌استفاده ناپدید می‌شود. اما واقعیت فیزیکی مهندسی برق، کسر دومی را نیز معرفی می‌کند: هدررفت گرما.[5][7]

هیچ تبدیل الکتریکی کاملاً بدون نقص نیست. مدار افزاینده در حین کار گرما تولید می‌کند و انرژی را در هوای اطراف هدر می‌دهد. طبق مستندات فنی شرکت JOWAY، «نرخ تبدیل یک پاوربانک معمولی معمولاً بین ۸۰ تا ۹۰ درصد است.»[3]

با اعمال یک راندمان خوش‌بینانه ۹۰ درصدی روی ۷۴۰۰ میلی‌آمپر ساعت نظری، تقریباً ۶۶۶۰ میلی‌آمپر ساعت شارژ واقعی و قابل‌استفاده باقی می‌ماند. مصرف‌کننده‌ای که یک باتری ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی برای شارژ یک گوشی هوشمند با باتری ۳۳۰۰ میلی‌آمپر ساعتی می‌خرد، دقیقاً دو بار شارژ کامل دریافت می‌کند، نه سه باری که روی بسته‌بندی القا می‌شود.[5][6][7]

این واقعیت، تمایز بین دو اصطلاح حیاتی در تولید باتری را ضروری می‌سازد. همان‌طور که مهندسان شرکت AOHi در گزارش فنی سال ۲۰۲۳ خود توضیح می‌دهند: «ظرفیت باتری مقدار برقی است که خود باتری می‌تواند ذخیره کند، در حالی که ظرفیت واقعی مقدار برقی است که پاوربانک در عمل می‌تواند خروجی دهد.»[2]

نهادهای نظارتی و آژانس‌های حمایت از مصرف‌کننده، تولیدکنندگان را ملزم می‌کنند که «ظرفیت واقعی» را روی خود دستگاه، معمولاً با حروف ریز در قاب پایینی، چاپ کنند. این عدد - که اغلب برای یک دستگاه ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی حدود ۶۰۰۰ تا ۶۵۰۰ میلی‌آمپر ساعت درج می‌شود - تنها رقمی است که خریدار باید هنگام محاسبه میزان روشن ماندن تجهیزات سفر خود از آن استفاده کند.[1][2][4]

هنگام استفاده از پروتکل‌های مدرن شارژ سریع، این ریاضیات پیچیده‌تر هم می‌شود. وقتی دستگاهی از طریق اتصال USB-C PD درخواست ۹ ولت، ۱۲ ولت یا ۲۰ ولت می‌کند، مبدل افزاینده باید سخت‌تر کار کند، که این امر رقم میلی‌آمپر ساعت را در آن ولتاژ خاص بیشتر کاهش می‌دهد، حتی اگر کل انرژی تحویل‌داده‌شده تقریباً ثابت بماند.[5][6]

این تغییرات ریاضی دلیلی است که مهندسان برق توصیه می‌کنند انرژی قابل‌حمل به جای میلی‌آمپر ساعت، با وات‌ساعت اندازه‌گیری شود. وات‌ساعت کل انرژی را مستقل از ولتاژ محاسبه می‌کند. یک باتری ۱۰۰۰۰ میلی‌آمپر ساعتی در ۳.۷ ولت دارای ۳۷ وات‌ساعت انرژی است؛ رقمی که صرف‌نظر از اینکه خروجی ۵ ولت باشد یا ۲۰ ولت، ثابت می‌ماند.[4][5]

مقامات هوانوردی در حال حاضر منحصراً به این معیار تکیه می‌کنند. اداره هوانوردی فدرال (FAA) مسافران را محدود می‌کند که بدون تأییدیه ویژه خطوط هوایی، باتری‌های لیتیوم-یونی با ظرفیت بیش از ۱۰۰ وات‌ساعت را حمل نکنند و میلی‌آمپر ساعت را کاملاً نادیده می‌گیرد، زیرا نمی‌تواند چگالی کل انرژی باتری را به درستی توصیف کند.[7]

تا زمانی که صنعت الکترونیک مصرفی به سمت درج وات‌ساعت روی بسته‌بندی‌ها حرکت کند، خریداران باید خودشان این کسر ۳۰ درصدی را محاسبه کنند. شناسایی ظرفیت واقعی به جای ظرفیت باتری، همچنان تنها روش قابل‌اعتماد برای اطمینان از این است که یک شارژر همراه واقعاً در یک پرواز طولانی دوام می‌آورد.[2][7]