Как работает смартфон: сенсор, аккумулятор, датчики, 5G

Внутри плитки

Представьте, что вы сняли стекло с телефона. Под сенсорным дисплеем лежит тонкий слоёный пирог. Больше всего места занимает аккумулятор, нередко половину толщины. На главной плате стоит система на кристалле: процессор, графика и модем, а рядом память. Вокруг размещены несколько камер, динамик, микрофон, вибромотор и антенны, спрятанные вдоль металлического края. Анимация разбирает телефон так, что каждая деталь парит на своей высоте. Первый звонок с ручного мобильного телефона сделал 3 апреля 1973 года Мартин Купер из Motorola, и аппарат весил больше килограмма.

Касание — это электричество

Под стеклом лежит сетка из строк и столбцов прозрачного проводника, чаще всего оксида индия-олова. Каждое пересечение хранит небольшой электрический заряд, как крошечный конденсатор. Кожа проводит ток, поэтому кончик пальца возле стекла забирает часть заряда, и ёмкость пересечения падает. Контроллер сканирует всю сетку от 60 до 240 раз в секунду и отмечает, какие пересечения изменились. Поэтому дисплей отзывается на голый палец, но не замечает деревянный карандаш, и поэтому обычные перчатки не работают.

Где именно палец?

Меняются сразу несколько пересечений, сильнее всего те, что под серединой кончика пальца. Контроллер сравнивает значения соседних пересечений и вычисляет центр касания с точностью гораздо тоньше шага сетки, хотя кончик пальца шириной около 8–10 мм. Два пальца дают два отдельных пятна, так работает увеличение щипком. Телефоны с такими мультитач-дисплеями вышли на массовый рынок в 2007 году. В анимации кончик пальца ложится на стекло, и пересечения под ним светятся.

Ионы в круговом рейсе

Внутри литий-ионной ячейки друг против друга стоят два электрода: графит с отрицательной стороны и оксид металла с литием с положительной, а между ними жидкий электролит. Зарядка загоняет ионы лития в слои графита, как машины в многоэтажный паркинг. Пока вы пользуетесь телефоном, они едут обратно, а электроны, которым через электролит не пройти, бегут по цепи, то есть через ваш телефон. Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Есино сделали ключевые шаги с 1970-х до 1985 года, а в 2019-м разделили Нобелевскую премию по химии.

На сколько хватит?

На аккумуляторе написано 4500 мА·ч при 3,85 В. Энергия равна 4,5 А·ч × 3,85 В ≈ 17,3 Вт·ч. Если телефон в среднем потребляет 1,5 Вт, он проработает 17,3 / 1,5 ≈ 11,5 часа. Яркий дисплей, игра или слабый сигнал повышают мощность, а сон снижает её до доли ватта. Сильнее всего литий-ионным ячейкам вредит жара, поэтому телефон не стоит оставлять в горячей машине. В продажу такие ячейки поступили в 1991 году, и повседневной замены им пока нет.

Где низ?

Акселерометр — микроскопическая масса на кремниевых пружинках, вытравленная в чипе. Когда телефон движется или наклоняется, масса смещается, и меняется ёмкость. В покое он чувствует тяжесть: если телефон лежит плашмя, ось z показывает около 9,81 м/с², то есть 1 g. Наклоните телефон на 30 градусов: z упадёт до 9,81 × cos 30° ≈ 8,5, а x вырастет до 9,81 × sin 30° ≈ 4,9. По этим числам телефон узнаёт наклон и поворачивает картинку. Гироскоп добавляет скорость вращения, а магнитометр чувствует поле Земли, примерно 25–65 микротесла, и служит компасом. Наклоните телефон в песочнице и следите за показаниями.

Разговор с вышкой

Мобильная сеть — это соты. Одна вышка покрывает несколько сотен метров в городе и несколько километров в открытой местности. Телефон и вышка обмениваются радиоволнами, родственницами света, но с гораздо более длинной волной: примерно от 700 МГц до нескольких ГГц для 4G и большей части 5G и выше 24 ГГц для 5G на коротких расстояниях. Радио летит со скоростью света, так что 3 км занимают 3 / 300 000 с = 10 микросекунд. Скачать 1 ГБ, то есть 8 гигабит, при 200 Мбит/с можно за 40 секунд. Пока вы едете, телефон передаётся от вышки к вышке, не обрывая разговор.

Смартфон