Por que os telefones carregam a 5 volts embora as suas baterias estejam classificadas a 3,7 volts?

Grande pergunta. Obrigado pelo A2A Andrei!

Existem vários factores que se juntam para que estas duas tensões divergentes sejam alinhadas uma com a outra para carregar a bateria.

Embora uma bateria possa ser nominalmente classificada como sendo de 3,7 volts, a tensão de saída (circuito aberto) de uma bateria totalmente carregada (Lithium, ou Li) pode na realidade ser tão alta como 4,3 volts. (Há um número de diferentes tecnologias de bateria que usam Li como o cátodo na sua construção).

Simplesmente, a tensão fornecida por um cabo USB (nominalmente 5V) pode na verdade ser inferior a 5V. Por exemplo, considere o caso quando vários dispositivos USB são conectados e utilizados de uma só vez. (Em casos extremos, pode haver tensão insuficiente e não ocorre nenhum carregamento; além disso, o fornecimento de corrente já está limitado pelo design, especialmente em versões anteriores USB).

Para carregar completamente a bateria, a tensão de carga aplicada deve pelo menos exceder a tensão da bateria totalmente carregada (por uma quantidade variável que depende da histerese; e que podemos negligenciar aqui para simplificar). Comparando a voltagem em uma bateria com a pressão em um pneu; se você quiser encher o pneu até 30 psi então você deve ter uma fonte de ar que seja de pelo menos 30 psi para mover o ar para dentro do pneu. É o mesmo conceito que aplicar voltagem (pressão) para carregar ("encher") uma bateria.

Por causa da resistência interna da bateria (embora as baterias Li tenham uma resistência interna maior do que outras recarregáveis) a voltagem de carga cairá assim que a carga da bateria que está sendo carregada for aplicada.

Há uma série de outras perdas (deliberadas e incidentais) que ocorrem no circuito do carregador que diminuem a diferença entre as duas tensões, chip de carga, microcontroladores de carga, reguladores, circuitos de protecção, e protecções de consumo e controlo de energia.

Notem também que é eletronicamente mais fácil em um sistema iniciar com uma tensão mais alta e baixá-la conforme necessário, do que iniciar com uma tensão mais baixa e tentar torná-la mais alta.

As baterias de lítio não podem ser lentas ("trickle") carregadas durante um longo período de tempo, pois a carga deve ser imediatamente interrompida com a carga total ou ocorrerão danos devido ao superaquecimento. Elas também devem ser carregadas sob uma corrente constante, e não sob tensão constante, como acontece com outras tecnologias de baterias. Portanto, para uma recarga ideal, a tensão de carga aplicada deve ser consistente e confiável o suficiente para manter a corrente constante necessária para levar a bateria até a carga necessária, e depois desligá-la.

Note que é melhor para uma vida útil longa da bateria (embora o tempo de funcionamento seja reduzido) não carregar as baterias Li até (tensão total) 100% de capacidade.

Para responder à sua pergunta, enquanto os números nominais 3.7 e 5 volts podem parecer estar excessivamente afastados um do outro para carregar uma bateria de forma segura e eficiente, os números são introduzidos por uma série de condições que acabam com a tensão e corrente pretendidas a serem convertidas nos valores ideais aplicados para carregar a bateria.