1. Por qué la corriente alterna del enchufe no puede entrar directamente al celular
En la superficie de los cargadores, hay números impresos en pequeño que indican la entrada y la salida. Generalmente, el lado del enchufe es corriente alterna y el lado del celular es corriente continua. Esta diferencia define la primera tarea del cargador [1].
La corriente alterna es aquella donde la dirección de la electricidad cambia constantemente. La corriente continua fluye en una sola dirección. Un adaptador de corriente (cargador) es un dispositivo que convierte la alterna en continua [1]. Pero, ¿cómo se realiza esta conversión? El método utilizado cambia significativamente el tamaño y el peso de la caja.
2. Cómo el cambio de método de conversión redujo el tamaño del cargador
El primer método es el lineal (o de transformador). Usa un transformador para bajar el voltaje, luego diodos y condensadores para rectificar (alinear la dirección) y suavizar las ondas hasta obtener corriente continua. Como requiere un transformador grande, este método suele resultar en cargadores grandes y pesados [1].
El segundo método es el de conmutación. Convierte la corriente alterna en continua primero, y luego usa componentes de conmutación (como MOSFET) para encender y apagar la electricidad muy rápido, creando pulsos de alta frecuencia para ajustar el voltaje de salida. Al usar alta frecuencia, permite crear cargadores más pequeños y ligeros que el método de transformador [1]. Existe la explicación de que cuanto más alta es la frecuencia, más fácil es reducir el tamaño.
Esto se parece un poco a abrir y cerrar una llave de agua muy rápido para controlar la cantidad de agua que sale. Sin embargo, en realidad se corta la electricidad en fragmentos muy finos, por lo que es diferente al flujo de agua. Gracias a esto, los cargadores se hicieron lo suficientemente pequeños para caber en la palma de la mano. Entonces surgió la demanda de enviar la mayor cantidad de energía posible en una caja tan pequeña.
3. Por qué subir la potencia del cargador no se logró aumentando el voltaje fácilmente
La potencia eléctrica (vatios) se calcula multiplicando el voltaje (voltios) por la corriente (amperios). El estándar USB (especificación BC) es de 5V con un máximo de 1.5A. Al calcular: 5V × 1.5A = 7.5W [2].
Dentro de la regla de no subir el voltaje de 5V, la única forma de aumentar la potencia era aumentar la corriente. Sin embargo, surgieron preocupaciones de seguridad, como corrientes que excedían la especificación. Por ello, nacieron métodos propietarios de cada empresa, como Quick Charge de Qualcomm, y luego USB PD estandarizó un método para entregar más potencia [2].
Veamos con cálculos qué cambia al subir el voltaje. Si mantenemos 5V pero usamos 3A, obtenemos 15W. Con los mismos 3A, si subimos a 20V, obtenemos 60W. Sin aumentar la corriente, subir el voltaje aumenta la potencia. Pero si cambiamos el voltaje, el celular debe ser capaz de recibirlo. ¿Cómo sabe el cargador esto?
Nota de seguridad: El uso de corrientes fuera de especificación o la falta de protocolos de seguridad puede generar riesgos. Por eso existen estándares como USB PD que regulan la potencia máxima segura [2].
4. Cómo el cargador y el celular acuerdan el voltaje y la corriente con USB PD
En USB PD, el cargador informa primero al celular qué combinaciones de voltaje y corriente puede suministrar (reglas de potencia), por ejemplo: "Puedo dar 5V a 3A o 9V a 2A". El celular elige y solicita lo que necesita. El cargador puede rechazar solicitudes inapropiadas [2].
En este ejemplo: 5V × 3A = 15W y 9V × 2A = 18W. Esto significa que el celular puede elegir combinaciones con diferentes potencias. Los voltajes estándar son 5V, 9V, 15V y 20V. En USB PD 3.1, anunciado en 2021, se añadieron 28V, 36V y 48V, permitiendo hasta 240W [2][3].
Hagamos una comprobación. Se establece que 28V da 140W, 36V da 180W y 48V da 240W. Si dividimos la potencia por el voltaje (140÷28, 180÷36, 240÷48), todas dan 5A. El máximo tradicional de 100W a 20V también es 100÷20 = 5A. Así, mantienen la corriente en 5A y suben el voltaje para aumentar la potencia. Solo los dispositivos compatibles con los nuevos voltajes pueden usar 240W; los cargadores comunes suelen estar en el rango de 5 a 20V [3].
La dirección de la potencia no es fija; los dispositivos solicitan la potencia que necesitan. Pero USB PD solo funciona si el cargador, el cable y el dispositivo son todos compatibles [3]. ¿En qué orden entra la electricidad a la batería del celular?
5. Por qué la corriente de carga de la batería disminuye al pasar a voltaje constante
La carga de baterías de iones de litio generalmente usa un método de dos etapas. Primero, se introduce electricidad con una corriente constante (corriente constante) hasta que el voltaje alcanza el objetivo. Al alcanzarlo, se cambia a una etapa donde se mantiene el voltaje constante (voltaje constante). En este momento, la corriente disminuye naturalmente [4].
En baterías de cobalto, el límite por celda es 4.20V (con una tolerancia de ±50mV). Se considera que la batería está llena cuando la corriente baja al 3-5% de la capacidad de la batería (Ah) [4]. Por ejemplo, para una batería de 3Ah (3000mAh), esto ocurre cuando la corriente baja a 90-150mA (3 × 0.03 = 0.09A; 3 × 0.05 = 0.15A). La cifra de 3000mAh es un número hipotético para el cálculo.
El voltaje límite varía según el tipo de batería; 4.2V es un ejemplo de las de cobalto [4]. Según Battery University, las baterías de iones de litio no toleran la sobrecarga. Si se supera el voltaje establecido, según la explicación, puede aparecer litio metálico o generarse gas que aumenta la presión interna [4]. Por eso, se necesita un control estricto del voltaje máximo.
Nota de seguridad: La disminución de la corriente es el resultado de mantener este voltaje límite y es parte del diseño para evitar peligros [4].
6. Cómo la carga inalámbrica Qi transmite electricidad con bobinas y campos magnéticos
Qi es una carga inalámbrica que usa inducción electromagnética. Al pasar corriente alterna por la bobina transmisora de la almohadilla de carga, se crea un campo magnético, y en la bobina receptora del celular se genera corriente (fuerza electromotriz inducida). Qi es un estándar del Wireless Power Consortium (WPC); si ambos dispositivos son compatibles con Qi, pueden usarse aunque sean de marcas diferentes [5].
La eficiencia es mejor cuando las bobinas están cerca, por lo que hay soluciones para la desalineación. Se usan métodos que mueven la bobina transmisora para encontrar la receptora, o métodos que ponen varias bobinas en fila [5].
También hay un "vigilante". El campo magnético de la bobina transmisora puede crear corrientes parásitas en metales como monedas o llaves, calentándolos. Por eso, hay sistemas explicados en documentos de patentes donde el celular informa a la almohadilla cuánta potencia recibe. Si la diferencia con la potencia enviada es grande, se puede sospechar que hay metal u otro objeto y se baja o detiene la potencia [6].
7. Por qué avanza en el mundo la unificación de los puertos de carga en USB-C
En la Unión Europea, comenzó la obligación de unificar los puertos de carga a USB-C para celulares, tabletas, audífonos y cámaras digitales antes de finales de 2024. Para las computadoras portátiles, se aplicará 40 meses después de la entrada en vigor de la ley [7].
Los compradores podrán elegir entre dispositivos que incluyen cargador o que no lo incluyen. La idea es que quienes ya tienen cargadores no necesiten tener muchos iguales [7].
Nota de seguridad: Una vez que los puertos son iguales, lo importante es que la negociación de voltaje y corriente funcione bien. Por eso, acuerdos como USB PD (mencionado en la sección 4) son importantes para la usabilidad real [2].
8. Cómo leer la etiqueta del cargador y calcular su potencia en vatios
Lo que puedes hacer hoy: Mira la columna de "salida" en el cargador de tu casa. Multiplica el voltaje (V) por la corriente (A) para saber cuántos vatios tiene. Compara el cargador incluido con uno viejo para ver la diferencia de potencia en números. No desarmes cargadores ni toques enchufes con las manos mojadas.
También es interesante registrar el porcentaje de batería cada 15 minutos y hacer una gráfica. Puedes observar si la carga se vuelve más lenta cuando la batería se acerca a estar llena. Sin embargo, la lentitud podría deberse a otras razones y no se puede afirmar solo con la explicación de este artículo.
Lo que puedes hacer al salir: En tiendas de electrónica, compara cargadores con etiquetas "PD compatible" o "Qi compatible" y observa la relación entre los vatios y el precio.
Un paso más: Lee también la columna de "entrada" del cargador. Ahí está el voltaje y la corriente que recibe del enchufe. Es normal que los vatios de entrada sean ligeramente mayores que los de salida, porque parte de la energía se pierde como calor durante la conversión.
Nota de seguridad: Desarmar un cargador es peligroso; no lo hagas [1].