Схема устройства зарядные устройства для: Схема зарядного устройства для автомобильного аккумулятора

Содержание

СХЕМА ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА

     Недавно была опубликована схема простого проверенного самодельного устройства для зарядки небольших аккумуляторов, в частности литий-ионных аккумуляторов шуруповёрта. В процессе экспериментов, были введены пару дополнений, которые позволили зарядному устройству повысить стабильность зарядного тока и упростить работу с ЗУ. 

     В данной схеме реализован режим заряда аккумулятора постоянным током, который прекращается по истечении определенного времени, необходимым для полного заряда. Устройство следит за степенью заряда аккумулятора и само отключит (уменьшит почти до нуля) зарядный ток по достижении заданного напряжения на нём. Зарядный ток составляет обычно I=0,1·Е, где I - зарядный ток в амперах, а Е - емкость аккумулятора в амперчасах. В этом режиме коефициент ёмкостного эффекта аккумулятора принимают 70% и длительность зарядки устанавливают около 15 часов. Режим зарядки малым током хорош тем, что даже при значительной перезарядке аккумулятор не будет поврежден.


     Полное гашение светодиода в конце зарядного цикла, подстраивается резистором, который включен последовательно со светодиодом к базе мощного транзистора. Для каждого вида светодиодов он может быть различного значения, например 1к для советских АЛ107. Для настройки индикации окончания заряда, подключаем к ЗУ полностью заряженный акуммулятор, затем ставим в цепь милиамперметр и настраиваем так, чтоб ток был до 10мА, после чего выбираем такое сопротивление резистора, чтоб при этом токе светодиод гас.


     Дополнительная стабилизация работы зарядного устройства обеспечивается стабилизатором КРЕН5Б (78L05). Для микросхемы радиатор не требуется, а регулирующий транзистор следует снабдить теплоотводом, достаточным для охлаждения при максимальном зарядном токе.


     На фотографиях показано зарядное устройство для пальчиковых аккумуляторов, собранное по данной схеме в алюминиевой коробке от чего-то подходящего. Корпус цельнофрезерованный, он используется как один большой радиатор для регулирующего транзистора. Данная схема была неоднократно проверена в различных конструктивных исполнениях и показала высокую надёжность работы. Материал предоставил ZU77.

     Форум по зарядным устройствам

   Форум по обсуждению материала СХЕМА ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА


УСИЛИТЕЛЬ ИЗ ЭЛЕКТРОФОНА

Подключение и испытание усилительного модуля на транзисторах КТ835 от электрофона "Россия 321 Стерео".




Конструкция зарядного устройства от шуруповёрта.

Схема, устройство, ремонт

Без сомнений, электроинструмент значительно облегчает наш труд, а также сокращает время рутинных операций. В ходу сейчас и всевозможные шуруповёрты с автономным питанием.

Рассмотрим устройство, принципиальную схему и ремонт зарядного устройства для аккумуляторов от шуруповёрта фирмы "Интерскол".

Для начала взглянем на принципиальную схему. Она срисована с реальной печатной платы зарядного устройства.

Печатная плата зарядного устройства (CDQ-F06K1).

Силовая часть зарядного устройства состоит из силового трансформатора GS-1415. Мощность его около 25-26 Ватт. Считал по упрощённой формуле, о которой уже говорил здесь.

Пониженное переменное напряжение 18V со вторичной обмотки трансформатора поступает на диодный мост через плавкий предохранитель FU1. Диодный мост состоит из 4 диодов VD1-VD4 типа 1N5408. Каждый из диодов 1N5408 выдерживает прямой ток 3 ампера. Электролитический конденсатор C1 сглаживает пульсации напряжения после диодного моста.

Основа схемы управления – микросхема HCF4060BE, которая является 14-разрядным счётчиком с элементами для задающего генератора. Она управляет биполярным транзистором структуры p-n-p S9012. Транзистор нагружен на электромагнитное реле S3-12A. На микросхеме U1 реализован своеобразный таймер, который включает реле на заданное время заряда – около 60 минут.

При включении зарядника в сеть и подключении аккумулятора контакты реле JDQK1 разомкнуты.

Микросхема HCF4060BE запитывается от стабилитрона VD6 – 1N4742A (12V). Стабилитрон ограничивает напряжение с сетевого выпрямителя до уровня 12 вольт, так как на его выходе около 24 вольт.

Если взглянуть на схему, то не трудно заметить, что до нажатия кнопки "Пуск" микросхема U1 HCF4060BE обесточена – отключена от источника питания. При нажатии кнопки "Пуск" напряжение питания от выпрямителя поступает на стабилитрон 1N4742A через резистор R6.

Далее пониженное и стабилизированное напряжение поступает на 16 вывод микросхемы U1. Микросхема начинает работать, а также открывается транзистор S9012, которым она управляет.

Напряжение питания через открытый транзистор S9012 поступает на обмотку электромагнитного реле JDQK1. Контакты реле замыкаются, и на аккумулятор поступает напряжение питания. Начинается заряд аккумулятора. Диод VD8 (1N4007) шунтирует реле и защищает транзистор S9012 от скачка обратного напряжения, которое образуется при обесточивании обмотки реле.

Диод VD5 (1N5408) защищает аккумулятор от разряда, если вдруг будет отключено сетевое питание.

Что будет после того, когда контакты кнопки "Пуск" разомкнутся? По схеме видно, что при замкнутых контактах электромагнитного реле плюсовое напряжение через диод VD7 (

1N4007) поступает на стабилитрон VD6 через гасящий резистор R6. В результате микросхема U1 остаётся подключенной к источнику питания даже после того, как контакты кнопки будут разомкнуты.

Сменный аккумулятор.

Сменный аккумулятор GB1 представляет собой блок, в котором последовательно соединено 12 никель-кадмиевых (Ni-Cd) элементов, каждый по 1,2 вольта.

На принципиальной схеме элементы сменного аккумулятора обведены пунктирной линией.

Суммарное напряжение такого составного аккумулятора составляет 14,4 вольт.

Также в блок аккумуляторов встроен датчик температуры. На схеме он обозначен как SA1. По принципу действия он похож на термовыключатели серии KSD. Маркировка термовыключателя JJD-45 2A. Конструктивно он закреплён на одном из Ni-Cd элементов и плотно прилегает к нему.

Один из выводов термодатчика соединён с минусовым выводом аккумуляторной батареи. Второй вывод подключен к отдельному, третьему разъёму.

Алгоритм работы схемы довольно прост.

При включении в сеть 220V зарядное устройство ни как не проявляет свою работу. Индикаторы (зелёный и красный светодиоды) не светятся. При подключении сменного аккумулятора загорается зелёный светодиод, который свидетельствует о том, что зарядник готов к работе.

При нажатии кнопки "Пуск" электромагнитное реле замыкает свои контакты, и аккумулятор подключается к выходу сетевого выпрямителя, начинается процесс заряда аккумулятора. Загорается красный светодиод, а зелёный гаснет. По истечении 50 – 60 минут, реле размыкает цепь заряда аккумулятора. Загорается светодиод зелёного цвета, а красный гаснет. Зарядка завершена.

После зарядки напряжение на клеммах аккумулятора может достигать 16,8 вольт.

Такой алгоритм работы примитивен и со временем приводит к так называемому "эффекту памяти" у аккумулятора. То есть ёмкость аккумулятора снижается.

Если следовать правильному алгоритму заряда аккумулятора для начала каждый из его элементов нужно разрядить до 1 вольта. Т.е. блок из 12 аккумуляторов нужно разрядить до 12 вольт. В заряднике для шуруповёрта такой режим не реализован.

Вот зарядная характеристика одного Ni-Cd аккумуляторного элемента на 1,2V.

На графике показано, как во время заряда меняется температура элемента (temperature), напряжение на его выводах (voltage) и относительное давление (relative pressure).

Специализированные контроллеры заряда для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, как правило, работают по так называемому методу дельта -ΔV. На рисунке видно, что в конце зарядки элемента происходить уменьшение напряжения на небольшую величину – порядка 10mV (для Ni-Cd) и 4mV (для Ni-MH). По этому изменению напряжения контроллер и определяет, зарядился ли элемент.

Так же во время зарядки происходит контроль температуры элемента с помощью термодатчика. Тут же на графике видно, что температура зарядившегося элемента составляет около 450С.

Вернёмся к схеме зарядного устройства от шуруповёрта. Теперь понятно, что термовыключатель JDD-45 отслеживает температуру аккумуляторного блока и разрывает цепь заряда, когда температура достигнет где-то 450С. Иногда такое происходит раньше того, как сработает таймер на микросхеме HCF4060BE. Такое происходит, когда емкость аккумулятора снизилась из-за "эффекта памяти". При этом полная зарядка такого аккумулятора происходит чуть быстрее, чем за 60 минут.

Как видим из схемотехники, алгоритм заряда не самый оптимальный и со временем приводит к потере электроёмкости аккумулятора. Поэтому для зарядки аккумулятора можно воспользоваться универсальным зарядным устройством, например, таким, как Turnigy Accucell 6.

Возможные неполадки зарядного устройства.

Со временем из-за износа и влажности кнопка SK1 "Пуск" начинает плохо срабатывать, а иногда и вообще отказывает. Понятно, что при неисправности кнопки SK1 мы не сможем подать питание на микросхему U1 и запустить таймер.

Также может иметь место выход из строя стабилитрона VD6 (1N4742A) и микросхемы U1 (HCF4060BE). В таком случае при нажатии кнопки включение зарядки не происходит, индикация отсутствует.

В моей практике был случай, когда стабилитрон пробило, мультиметром он "звонился" как кусок провода. После его замены зарядка стала исправно работать. Для замены подойдёт любой стабилитрон на напряжение стабилизации 12V и мощностью 1 Ватт.

Проверить стабилитрон на "пробой" можно также, как и обычный диод. О проверке диодов я уже рассказывал.

После ремонта нужно проверить работу устройства. Нажатием кнопки запускаем зарядку АКБ. Приблизительно через час зарядное устройство должно отключиться (засветится индикатор "Сеть" (зелёный). Вынимаем АКБ и делаем "контрольный" замер напряжения на её клеммах. АКБ должна быть заряженной.

Если же элементы печатной платы исправны и не вызывают подозрения, а включения режима заряда не происходит, то следует проверить термовыключатель SA1 (JDD-45 2A) в аккумуляторном блоке.

Схема достаточно примитивна и не вызывает проблем при диагностике неисправности и ремонте даже у начинающих радиолюбителей.

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Радиосхемы. - Маломощные зарядные устройства

Маломощные зарядные устройства

категория

Электронные самоделки в помощь автолюбителю

материалы в категории

Журнал Радио, 2000 год, №7

Наряду с мощными зарядными устройствами обеспечивающими ток заряда аккумуляторной батареи до 10 Ампер, автолюбителями широко используются и более слабые устройства (с током от 0,5 до 1,5 А). Такие слабенькие зарядки обычно применяются в тех случаях когда требуется только лишь частичная подзарядка аккумулятора (например во время длительного хранения). Преимущества таких маломощных зарядных устройств очевидны- меньшие габариты и вес из за отсутствия мощных трансформаторов.

В этой статье приводятся две схемы таких устройств

А. КОРСАКОВ, г. Орел

Описываемое маломощное сетевое зарядное устройство служит для зарядки автомобильной аккумуляторной батареи небольшим током. Конструктивно оно рассчитано на установку в транспортное средство с подключением к системе электрооборудования. Таким образом, не нужно каждый раз развертывать зарядное устройство и подключать его к батарее, достаточно лишь вставить вилку в розетку.

Схема маломощного зарядного устройства

 

Это дает возможность заряжать батарею автомобиля везде, где есть доступ к питающей электросети 220 В. Параллельно с зарядкой устройство допускает пользование автомагнитолой.

 

Схема зарядного устройства показана на рис. 1. ОУ DA1 контролирует напряжение на выходе устройства и при достижении установленного резистором R3 выходного напряжения ограничивает ток через аккумуляторную батарею на уровне ее тока саморазрядки. Конденсаюр С1 предназначен для сглаживания пульсаций. При токе в 1.5 А напряжение пульсаций равно примерно 5 В. Стабилитрон VD6 стабилизирует напряжение питания ОУ. Резистор R6 служит для ограничения тока зарядки.

 

С делителя напряжения, собранного на резисторах R7 и R8, на инвертирующий вход ОУ поступает напряжение, пропорциональное выходному. Светодиод HL1 служит для индикации наличия напряжения в сети, a HL2 — для индикации подключения к аккумуляторной батарее.

 

Благодаря резистору R6 зарядный ток мало зависит от напряжения на батарее, но при достижении установленного выходного напряжения ток зарядки снижается до значения тока ее саморазрядки. В таком режиме устройство может работать неограниченное время, поэтому контролировать процесс зарядки нет необходимости.

Устройство также мало чувствительно к аварийному замыканию выходной цепи, но длительное нахождение в таком режиме нежелательно. Для защиты оператора от поражения электрическим током применен сетевой трехпроводный кабель с двойной изоляцией и евровилкой X1 на конце. Разумеется, защитный контакт ответной евророзетки необходимо надежно заземлить.

При случайном попадании фазы сети на корпус автомобиля (из-за повреждения сетевого кабеля) перегорает один из предохранителей, устройство оказывается обесточенным. Вторичная обмотка сетевого трансформатора Т1 во всяком случае должна быть надежно изолирована от первичной и от магнитопровода.

Необходимо помнить, что при зарядке батареи в случайном месте, где евро-розетка может оказаться незаземленной, вы подвергаете себя реальной опасности, поэтому не пренебрегайте никакими мерами защиты (резиновый коврик или сухая доска под ноги, резиновые перчатки или сухие тканевые рукавицы).

Зарядное устройство конструктивно оформлено в пластмассовой коробке от электробритвы "Бердск". Коробку я поместил под капот своего автомобиля "ВАЗ 21063". прикрепив к внутренней перегородке машины рядом с местом для запчастей.

Трансформатор Т1 — любой малогабаритный сетевой мощностью 25 Вт со вторичной обмоткой на напряжение 15.5... 17.5 В при токе 1.5 А. Диоды VD1— VD4. VD7, VD8 подойдут любые из серии КД226; возможна их замена на КД212 КД213 и другие средней мощности. Диод VD5 — КД522. КД521 с любым буквенным индексом или другие малогабаритные. Вместо КС191Ж подойдет стабилитрон КС 191Е.

Светодиод АЛ307В зеленого свечения можно заменить на АЛ307Г. АЛ307ГМ. АЛ307НМ. а АЛ307Б красного свечения — на АЛ307К. АЛ307БМ. АЛ307КМ. ОУ К140УД1208 заменим на К140УД1408. при этом резистор R5 исключают, а вывод 8 оставляют свободным.

Транзистор КТ825Г устанавливают на теплоотводящую пластину площадью 60 см2 и толщиной 3 мм. Постоянные резисторы МЛТ, подсгроечные резисторы — СПЗ-38Б. СПЗ-19 или другие малогабаритные. Конденсаторы — К50-35, К50-24или К50-16.

Большинство деталей устройства смонтировано на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5 мм. Чертеж платы изображен на рис. 2.

При изготовлении устройства для установки на автомобиль необходимо особое внимание уделить жесткости монтажа массивных деталей на плате и других узлов и деталей в коробке, а также вопросам защиты прибора от влаги и пыли.

Для налаживания устройства подключают к его выходу вместо нагрузки вольтметр постоянного тока и резистором R3 устанавливают напряжение в пределах 13.4... 13.6 В. Затем к выходу устройства подключают разряженную батарею последовательно с амперметром и устанавливают резистором R6 требуемый ток зарядки в пределах 0.5... 1.5 А.

И. ГЕРЦЕН, г. Березники Пермской обл.

Как известно, автомобильные аккумуляторные батареи в период длительного, например зимнего, хранения разряжаются, поэтому их рекомендуют периодически подзаряжать. Описываемое устройство предназначено для автоматического поддержания автомобильной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии во время хранения. Его функциональные возможности по сравнению с комплектом аппаратуры, описанным автором этих строк в статье "Приставка-автомат к зарядному устройству" ("Радио", 1997. ╧ 7. с. 44—46), более скромны, зато оно значительно проще и не содержит электромеханических реле.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1.

Транзисторы VT1, VT3, VT4 и стабилитрон VD5 образуют последовательный стабилизатор напряжения. Напряжение, которое устройство поддерживает на батарее, устанавливают резистором R6. Пределы изменения этого напряжения определены сопротивлением резисторов R5 и R7. Ток зарядки контролируют по шкале амперметра РА1.

При подключении устройства к аккумуляторной батарее напряжение на ней обычно меньше зарядного. Поэтому регулирующий транзистор VT3 открыт и насыщен, через него протекает максимальный ток. Для защиты регулирующего транзистора от перегрузки служит ограничитель тока, собранный на транзисторе VT2.

При возрастании тока нагрузки падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 увеличивается, и в некоторый момент транзистор VT2 приоткрывается, уменьшая базовый ток составного регулирующего транзистора VT1, VT3. В результате зарядное напряжение, а значит, и ток через транзистор VT3 уменьшаются. Таким образом, максимально возможный ток через стабилизатор — зарядный ток аккумуляторной батареи — зависит от сопротивления резистора R3.

По мере зарядки батареи напряжение на ней увеличивается, приближаясь к напряжению стабилизации, а зарядный ток уменьшается до значения, необходимого лишь для компенсации ее саморазрядки. Диод VD6 служит для защиты батареи от разрядки через цепи стабилизатора в случае отключения сетевого напряжения.

За выпрямителем зарядного устройства включен сглаживающий конденсатор С1. Он нужен не для уменьшения уровня пульсаций при зарядке, поскольку, во-первых, при указанной на схеме емкости его сглаживающий эффект будет заметен лишь при крайне малом зарядном токе и. во-вторых, сглаживать зарядный ток вообще не требуется. Этот конденсатор позволяет производить регулировку выходного напряжения устройства — с ним нет пульсаций при малой нагрузке.

О включении устройства в сеть сигнализирует светодиод HL1.

Устройство рассчитано на длительную работу под напряжением без постоянного присмотра, поэтому для повышения надежности его детали выбраны с запасом по основным параметрам.

Трансформатор Т1 подойдет любой, мощностью 20...25 Вт. с хорошей межобмоточной изоляцией, обеспечивающий на вторичной обмотке напряжение 17...19В при токе 0.5 А.

Постоянные резисторы, кроме R3. — МЛТ; переменный резистор R6 — ППЗ-1З. Резистор R3 — проволочный, самодельный (рис. 2). Он намотан ни-хромовым проводом 3 диаметром 0,3 мм на стеклотекстолитовой планке 2 толщиной 1 мм. Так как нихром плохо паяется, соединение провода с медными выводами 1 выполнено винтами 4 с гайками МЗ.

 

 

 

Амперметр РА1 — любой с током полного отклонения 0.5...0.6 А. Транзистор VT3 и диод VD6 установлены на теплоотводы площадью не менее 100 и 10 см2 соответственно.

Устройство смонтировано в прочном кожухе размерами 170x120x90 мм. На переднюю панель выведены амперметр РА1. индикатор сетевого напряжения HL1. держатели предохранителей FU1 и FU2 и ручка резистора R6. В кожухе необходимо просверлить вентиляционные отверстия.

Большинство мелких деталей смонтировано на печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1 мм. Чертеж платы показан на рис. 3. На чертеже зачернены участки, где фольга удалена резцом.

Транзистор П702 можно заменить на КТ802А, КТ805А или КТ819 с любым буквенным индексом; КТ608А — на КТ801А или КТ8 15А; КТ315В — на КТ315Б или КТ315Г; КТЗ12В — на КТ312Б. Вместо Д809 подойдут стабилитроны Д808, Д810, Д814А — Д814В.

Налаживание устройства начинают с проверки пределов регулирования напряжения резистором R6. Для этого к выходу подключают временный нагрузочный резистор сопротивлением 300 Ом мощностью 1 Вт. В крайних положениях движка резистора R6 напряжение на эмиттере транзистора VT3 должно быть равно 13.8 и 16.8 В. При необходимости эти пределы корректируют подборкой резисторов R5, R7. Шкалу под ручкой резистора R6 градуируют от 13 до 16 В по образцовому вольтметру, подключенному параллельно нагрузке.

Подбирая длину провода резистора R3, устанавливают граничный ток через стабилизатор на уровне около 0.5 А. Типовая зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки представлена на рис. 4.

Для зарядки аккумуляторную батарею подключают к устройству в соответствующей полярности, устанавливают резистором R6 напряжение, которое должен иметь заряженный аккумулятор в соответствии с инструкцией по его эксплуатации, и включают устройство в сеть.

Конструируя устройство, следует позаботиться о надежной изоляции токоведущих деталей, электрически связанных с сетью. И тем не менее при эксплуатации аппарата, особенно в условиях гаража, следует принимать все меры предосторожности, чтобы не попасть под удар электротоком.

 

 

Схема автомобильного зарядного устройства 5В » Вот схема!


Схема зарядного устройства показана на рисунке 2, это DC-DC преобразователь, дающий стабильное напряжение +5V при токе до 0,5А, и входном напряжении в пределах 7...18V. Посмотрев на схему, может возникнуть вопрос, - зачем такие сложности, когда, казалось бы, можно обойтись одной кренкой. Вопрос справедливый. Действительно, аналогичное зарядное устройство можно сделать, например, по схеме на рисунке 1. И такая схема будет работать.

Но обратите внимание на то, что КР142ЕН5А это обычный линейный стабилизатор, и при входном напряжении 12V и токе нагрузки 0,5А мощность, которая будет рассеиваться на регулировочном транзисторе микросхемы КР142ЕН5А может быть более 6W. Микросхема будет нагреваться, потребуется достаточно объемный и тяжелый радиатор. Не говоря уже о низком КПД такой схемы.

Схема, показанная на рисунке 2 работает как импульсный источник, и при нормальном режиме работы рассеивает очень незначительную мощность. Здесь совершенно нет ничего, чему требуется отвод тепла. Кроме того, что она имеет очень высокий КПД, такая схема позволяет собрать адаптер в виде очень легкой и компактной конструкции.

Конечно, есть и минус, - схема значительно сложнее, содержит много деталей, суммарная стоимость которых существенно больше цены КР142ЕН5А и пары конденсаторов.

Подключается зарядное устройство к прикуривателю автомобиля. Диод VD1 на всякий случай защищает схему от неправильной полярности входного напряжения. Стабилитрон VD2 - защита от коротких импульсов высокого напряжения, которые могут быть в сети не очень нового автомобиля.

На микросхеме А1 собраны основные узлы преобразователя, - генератор импульсов, регулятор их ширины и измерительный компаратор, сравнивающий выходное напряжение с опорным, вырабатываемым внутренним стабилизатором микросхемы. Вход компаратора, - вывод 5.

На него подается напряжение с выхода схемы через делитель на резисторах R4-R6. Коэффициент деления зависит от положения движка подстроенного резистора R5. Этим резистором при настройке преобразователя устанавливают требуемое выходное напряжение (в данном случае это 5V).

Детали. Диод VD1 - любой выпрямительный кремниевый диод с допустимым прямым током не ниже 0,7А. VD2 - стабилитрон средней мощности, с напряжением стабилизации 20-30V. VD3 - диод с барьером Шоттки с допустимым прямым током не ниже 2A. VD4 -стабилитрон средней мощности с напряжением стабилизации 5,0-5,6V. HL1 - любой индикаторный светодиод.

Обратите внимание, - у всех диодов и стабилитронов, типы которых указаны на схеме, пояском на корпусе отмечен КАТОД. Конденсаторы С1 и С4 любые электролитические малогабаритные, например, К50-35 или JAMICON, с допустимым напряжением С1 - не ниже 20V, С4 - не ниже 6,3V.
Резисторы - обычные. Резисторы R1, R2, R3 можно заменить одним резистором мощностью 1W и сопротивлением 0,3 Оm. Резистор должен быть непроволочным.

Катушка L1 намотана на ферритовом кольце диаметром 16 мм, для намотки используется провод ПЭВ - 0. 47. Число витков - 80. Намотка равномерно распределена по всей окружности кольца.

Все детали помещены на печатную плату, монтаж и разводка которой показаны на рисунке 3. Плата помещена в пластмассовый корпус размерами примерно 120x30x20 мм. Со сторон торцов выходят два кабеля, один из которых оконечен стандартным разъемом для подключения переносной лампы к автомобильному прикуривателю, а второй - таким штекером, как у зарядного устройства вашего мобильного телефона.

Если все детали исправны и нет ошибок в монтаже, налаживание - это только регулировка выходного напряжения резистором R5.

Такую же схему можно использовать и для зарядки батареи МР-3 плеера, например, сделав выходной кабель с USB-разъемом можно заряжать аккумулятор МР-3 плеера iPOD или другого аналогичного. В принципе, на корпусе зарядного устройства можно установить какой-то разъем в качестве Х2, например, USB (+5V на контакт 1, -5V на контакт 4), и сделать несколько сменных кабелей (для телефона, радиостанции, МР3 плеера и др.). Если нужно другое напряжение, соответственно, перенастройте делитель R4-R5-R6 и замените стабилитрон VD4.

зарядные устройства

                           СТАБИЛИЗАТОР ТОКА ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ

Если в вашем хозяйстве есть какие - либо аккумуляторные батареи - вы можете самостоятельно изготовить простые стабилизаторы тока для их зарядки.

Рассмотрим сначала фабричное зарядное устройство типа "Электроника" ЗУ-05: 

Как видно из принципиальной схемы - это устройство собрано по так называемой бестрансформаторной схеме с реактивным сопротивлением (конденсаторы С1 и С2). Данное устройство предназначено для заряда от 1 до 4 аккумуляторов стабильным током 130 миллиампер. Если исключить из схемы один из реактивных конденсаторов - ток заряда уменьшится в два раза и составит 65 миллиампер. Аккумуляторы подключаются параллельно стабилитронам с соблюдением полярности. Отдельно следует сказать о стабилитронах. Эти стабилитроны служат эквивалентами аккумуляторных элементов для того, чтобы можно было заряжать одновременно от 1 до 4 элементов без использования переключателя. Когда элемент вставлен в ЗУ - на нем падает некоторое напряжение (зависит от степени заряда аккумулятора), которое может колебаться от 0,8 до 1,5 вольт (меньшее значение - при разряженном аккумуляторе, большее - при полностью заряженном). Это напряжение меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Стабилитрон закрыт. Если в ячейку не вставлен аккумулятор - стабилитрон открывается и пропускает ток. В данной схеме следует применять конденсаторы, рассчитанные на использование в цепях переменного тока (в заводском варианте применены конденсаторы типа К73-17С на рабочее напряжение 250 вольт). Если на место этих конденсаторов ставить конденсаторы, рассчитанные на постоянное напряжение - минимальное рабочее напряжение этих конденсаторов следует выбирать не менее 600 вольт. Резистор R1 служит для разрядки конденсаторов после отключения ЗУ от сети и на работу устройства не влияет. Его номинал может быть от 300 до 820 килоом. Резистор R2 должен иметь мощность рассеяния не менее 1 ватта. Этот резистор обеспечивает питание индикаторного светодиода. Свечение этого светодиода говорит о том, что через аккумуляторы течет ток зарядки...

Перед включением зарядного устройства в сеть - подключите аккумуляторные элементы!  Эксплуатируя данное устройство следует помнить, что его выходные клеммы имеют электрический контакт с сетью. Нельзя касаться во время работы ЗУ к его выходных клеммам  - можно получить удар электрическим током!

Схема более сложного зарядного устройства приведена ниже: 

Стабилизатор представляет собой простое устройство для поддержания стабильного тока на выходе.

Рассмотрим подробно работу стабилизатора: Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора. Со вторичной обмотки снимается низкое напряжение для питания устройства. Напряжение выпрямляется при помощи диодного моста. Пульсации сглаживаются при помощи конденсатора С1. На элементах R1-VD1 собран стабилизатор напряжения для питания базовой цепи транзистора. При помощи переменного резистора R2 можно регулировать ток стабилизации. При подаче на базу транзистора определенного напряжения - на эмиттере транзистора появляется напряжение, практически равное напряжению смещения на базу (на самом деле напряжение на эмиттере будет несколько ниже - на величину падения на переходе База-Эмиттер). Это напряжение будет оставаться неизменным несмотря на изменение сопротивления в цепи коллектора транзистора (любой источник тока - аккумулятор или гальванический элемент - обладает определенным внутренним сопротивлением, поэтому его можно рассматривать в данной схеме, как сопротивление нагрузки в коллекторной цепи транзистора). По мере заряда аккумулятора  - его внутреннее сопротивление уменьшается, что может привести к значительному увеличению зарядного тока, если не предусмотреть мер по стабилизации тока.

Максимальный ток, который можно получить от такого стабилизатора - зависит от сопротивления резистора R3 в эмиттерной цепи и от напряжения на базе транзистора. Напряжение на базе транзистора в данном случае ограничено при помощи стабилизатора напряжения и не может быть более 3,3 вольта. Резистор в эмиттерной цепи выбран номиналом в 33 ома. Исходя из этих данных - максимальный зарядный ток не может быть более I = U/R  , то есть не более 3,3-0,7(падение напряжения на переходе транзистора)/33 = 78 миллиампер.

О деталях: трансформатор использован готовый - типа ТВК-110Л от лампового черно-белого телевизора. Он имеет три обмотки. Для наших целей нужно использовать обмотку с максимальным сопротивлением (сетевая обмотка) и намотанную толстым проводом (вторичная обмотка). На вторичной обмотке после выпрямления получаем напряжение около 20 вольт, поэтому рабочее напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 25 вольт. Емкость этого конденсатора может быть в пределах 200...1000 микрофарад. Вместо стабилитрона КС133А можно применить КС433А. Не стоит использовать стеклянные стабилитроны (с буквой "Г") - режим работы этой детали довольно жесткий - стеклянный стабилитрон может выйти из строя от перегрева. Переменный резистор может быть любого типа, номиналом от 750 ом до 3,3 килоом. Транзистор можно заменить на КТ829. Транзистор обязательно должен быть снабжён пластиной - теплоотводом, площадью не менее 50 квадратных сантиметров. В качестве теплоотвода можно применить медную или алюминиевую пластинку с размерами не менее, чем 5 на 5 сантиметров и толщиной не менее 1 миллиметра. Для уменьшения габаритов теплоотвода - пластинку можно согнуть, например в виде П-образной скобки. Здесь можно использовать и готовый теплоотвод промышленного производства с соответствующей площадью поверхности. Очень удобен  такой вариант, когда задняя стенка корпуса ЗУ изготовлена из металла и является теплоотводом для транзистора (только желательно в этом случае крепить транзистор к теплоотводу через изоляционную пластинку, например из слюды). Резистор R3 должен быть рассчитан на мощность рассеяния не менее 2 ватт. Приблизительно можно подсчитать мощность рассеивающуюся на этом резисторе по формуле P= U*I (падение напряжения на резисторе, умноженное на протекающий в его цепи ток), то есть 3,3(вольта)*0,1(ампера) = 0,33 (ватта). На самом деле, казалось бы, что можно применить резистор с мощностью 0,5 ватта, но при этом температура корпуса резистора будет более 100 градусов, что приведет к нагреву всего блока и, в конечном счете, к понижению надежности всей схемы. Вместо диодного моста можно применить четыре отдельных диода на выпрямленный ток не менее 100 миллиампер, например типа КД105, КД208, Д226 и т.п. Измерительного прибора (А) может и не быть, если на ось переменного резистора надеть ручку - "клювик"  и произвести предварительно градуировку, используя, например, цифровой миллиамперметр типа DT830. Можно также изготовить стабилизатор тока на несколько фиксированных значений, равных 1/10 от ёмкости имеющихся у вас аккумуляторов, но тогда переменный резистор удобнее  заменить подстроечным и вместо резистора R3 использовать несколько штук, произведя предварительно их расчёт на требуемые величины тока стабилизации. Переключать резисторы (во избежании порчи транзистора) нужно так называемым "безобрывным" переключением, фрагмент схемы которого приведён ниже.  Вторую секцию переключателя в данном варианте удобно использовать и для коммутации сетевого напряжения (попросту говоря - использовать в режиме выключателя). 

Окончательно ток стабилизации подстраиваем при помощи резистора в цепи базы на одном из режимов. Точность поддержания тока на остальных режимах будет зависеть от точности выбора соответствующих резисторов.

Для стабилизации тока зарядки вполне можно использовать и микросхемы-стабилизаторы напряжения. Для примера ниже показана схема простого стабилизатора тока на микросхеме КР142ЕН12:

В данной схеме величина сопротивления резистора зависит от тока стабилизации схемы. Примерно величину этого резистора можно подсчитать по формуле (ВАЖНО! Сопротивление получим в Килоомах!!!).

Где In -ток нагрузки в Миллиамперах, 1,2 минимальное напряжение стабилизации данной микросхемы. Если использовать в качестве микросхемы, например 5-вольтовую КРЕН-ку, следует в формуле соответственно изменить данный коэффициент.

Данную схему удобно применить для питания мощных светодиодов... Только не следует забывать об эффективном теплоотводе от корпуса микросхемы, так как микросхема при работе существенно греется... Кстати - для приобретения теплоотводов могу порекомендовать неплохой Китайский сайт www.tinydeal.com  - здесь вы сможете найти недорогие  (правда и небольшие!) теплоотводы и другую полезную мелочь. Сайт работает с клиентами всего Мира, зарегистрированными в системе PayPal. Если вы испытываете затруднения с приобретением товаров на этом сайте - пишите мне на мой е-мэйл и я постараюсь вам помочь. В своей "помощи" я использую только предоплату и платежную систему QIWI. Имейте это ввиду (а также некоторый процент, получамый мною за посредничество).

Несколько слов об "малоомных" резисторах. Их можно получить либо из провода с высоким удельным сопротивлением (например - Нихром), либо путем параллельного соединения нескольких с большими номиналами. Если взять, к примеру, несколько "одноомных" резисторов и включить их в параллель, то получим общее сопротивление в N  раз меньшее, чем у первоисточников... Для примера: Имеем 5 резисторов по 15 Ом, включаем из в парралель  - получаем резистор с номиналом 15/5=3 Ома. При этом еще и суммируется максимальная мощность, которую можно рассеять на этих резисторах...

Для зарядки маломощных аккумуляторов также можно использовать и нетрадиционные источники энергии. Об использовании энергии солнца мы уже с вами беседовали (смотри ссылку). Также возможно использование "бесплатной" природной энергии ветра и воды...

Если задуматься -  для зарядки аккумуляторов можно использовать обычную радиотрансляционную сеть! Простейшая схема такого "девайса"  показана ниже:

Схема представляет собой двухполупериодный выпрямитель, нагруженный на батарею из четырех никель-кадмиевых аккумуляторов. Для исключения перезарядки аккумуляторов в качестве первого диода применен стабилитрон. В качестве второго диода использован светодиод - он также служит и для индикации режима заряда. Конденсатор в данной схеме должен быть на рабочее напряжение не менее 100 (лучше на 200) вольт!

Рисунок печатной платки приведен ниже:

Позже я расскажу вам, как использовать данный принцип в трансляционной радиоточке для приема радиостанции "Маяк".

Запчасти.ру - Схемы зарядных устройств Sturm

Схема зарядного устройства Sturm BC1205

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1208

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1210

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1212

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1214

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1218J

 

Схема зарядного устройства Sturm BC1240J

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2405

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2415

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2420

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2420J

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2420 электрическая схема

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2445,BC2465

 

Схема зарядного устройства Sturm BC2455J

 

Схема зарядного устройства Sturm AW98A03

 

Схема зарядного устройства Sturm AW98A05

 

Взрыв-схема и запчасти для зарядного устройства УЗ 30/20

Код ElitechНаименованиеОписание (англ.)КомплектацияСовместимость
11901.000100ВинтSCREW2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
21901.000200ШайбаFLAT WASHER4УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
31901.015000Накладка передней панелиPALSTIC PANEL1 
41901.005100Кобельный вводRUBBER2УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
51901.015100АмперметрAMPEREMETER1УЗ50/30
61901.015200Гнездо предохранителяFUSE HOLD1УЗ50/30
71901.015300ВыключательSWITCH1УЗ50/30
81901.015400Электрокабель питанияPLUG CABLE1 
91901.015500Панель передняяFRONT PANEL1 
101901.000800ВыключательSWITCH1УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
111901.000900ВинтSCREW2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
121901.015700Мост выпрямительныйBRIDGE RECTIFIER1УЗ50/30
131901.001100Шайба пружиннаяSPRING WASHER2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
141901.001200ВинтSCREW2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
151901.001300ВинтSCREW3УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
161901.001400РучкаHANDLE BELT1УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
171901.001500Крепления ручкиHANDLE BUTTON2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
181901.015800КорпусTOP COVER1 
191901.001700ВинтSCREW10УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
201901.015900Панель задняяBACK PANEL1 
211901.016000ТрансформаторTRANSFORMER1 
221901.005500ВинтSCREW4УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
231901.005600Шайба пружиннаяSPRING WASHER4УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
241901.005700ШайбаPLAINWASHER4УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
251901.005800ВинтSCREW4УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
261901.016100Ножка резиноваяBASE RUBBER4УЗ50/30
271901.002300ВинтSCREW2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12
281901.016200ОснованиеBASE PANEL1 
291901.002500ЗажимыCLAMP2УЗ10, УЗ15, УЗ20/12, УЗ50/30
Схема портативного USB-зарядного устройства

- Соберите электронные схемы

Создайте эту портативную схему USB-зарядного устройства, и у вас всегда будет доступ к зарядному устройству.

Представьте себе прекрасный летний день. Вы собираетесь встретиться с друзьями на пикник в парке. Но парк огромен и полон людей. Поскольку вы не знаете, где именно находятся ваши друзья, вы берете телефон, чтобы позвонить им.

Но как только вы набираете номер, батарея в телефоне садится…

Аааа!

С этим портативным зарядным устройством USB не о чем беспокоиться.Просто зайдите в ближайший супермаркет и возьмите несколько стандартных аккумуляторов, чтобы зарядить свой телефон на ходу.

Бонус: Загрузите этот проект в виде мини-электронной книги, которая шаг за шагом покажет вам, как построить эту схему.

Схема портативного USB-зарядного устройства

Вот принципиальная схема:

Список запчастей

Деталь Значение Описание
U1 7805 Регулятор напряжения
Светодиод Стандартная мощность Светодиод
R1 330 Ом Резистор
R2 75 кОм Резистор
R3 75 кОм Резистор
R4 51 кОм Резистор
R5 51 кОм Резистор
D1 1N4001-4007 Выпрямительный диод
USB Розетка типа А Под пайку
6xAA, 6xAAA или 9 В Разъем аккумулятора

Я создал страницу ресурсов, чтобы облегчить вам поиск компонентов.Щелкните здесь, чтобы увидеть, где вы можете получить все необходимое для создания этой схемы.

Как работает схема

Схема основана на микросхеме LM7805. Это регулятор напряжения, который принимает входное напряжение от 7 В до 30 В и выдает 5 В при токе до 1 А.

Чтобы проверить, работает ли зарядное устройство, я включил светодиод и резистор 330 Ом между 5 В и минусом батареи. Схема будет прекрасно работать и без них.

Резисторы с R2 по R5 устанавливают уровни напряжения на линиях передачи данных на определенные значения.Эти напряжения гарантируют, что устройство знает, какой ток использовать для зарядки. Я получил значения этих резисторов из статьи Adafruit, где они открыли зарядное устройство для iPhone, чтобы посмотреть, как оно работает. Эти значения заставят iPhone и многие другие устройства заряжаться с током 500 мА.

Выпрямительный диод D1 гарантирует, что вы не повредите цепь, если вы неправильно подключите плюс и минус. Он также снижает напряжение на 1 В, а это значит, что для работы зарядного устройства требуется не менее 8 В.

В этом диоде нет необходимости. Если вы собираетесь припаять плюсовой и минусовой вывод к плате, я уверен, что вы дважды проверьте соединение перед тестированием. Но при входном напряжении 9 В неплохо в любом случае снизить напряжение на регуляторе напряжения, чтобы уменьшить нагрев.

Кроме того, он позволяет использовать розетку постоянного тока для подключения ряда различных входов, не беспокоясь о правильности плюса и минуса.

Стабилизатор напряжения все еще может перегреться и отключиться даже с этим диодом.Если вы обнаружите, что это происходит часто, вы можете решить эту проблему, добавив радиатор для TO-220.

Схема зарядного устройства USB работает от 6 батареек AA, 6 батареек AAA или батареи 9 В. Все эти батарейки довольно просто найти в большинстве супермаркетов.

Как построить схему зарядного устройства

Эту схему довольно легко построить. Вам нужно всего 7 компонентов. Идеально подходит для пайки на картон.

Я создал руководство в формате PDF с пошаговыми инструкциями по сборке портативного зарядного устройства USB.

Щелкните здесь, чтобы загрузить учебное пособие в формате PDF.

Модификации

Если вы хотите использовать аккумулятор другого типа, просто переключитесь на другой разъем аккумулятора. Или, что еще лучше, используйте стандартную входную розетку постоянного тока, чтобы вы могли подключить ее к стандартным настенным адаптерам постоянного тока. Затем подключите штекеры постоянного тока к аккумуляторным блокам для батарей AA, AAA и 9 В, чтобы иметь полный спектр возможностей зарядки.

Вы также можете использовать зарядные устройства для солнечных батарей в солнечный день.

Вы его построили?

Сообщите мне, как это прошло, в поле для комментариев ниже.Вопросы приветствуются!

Бонус: Загрузите этот проект в виде мини-электронной книги, которая шаг за шагом покажет вам, как построить эту схему.

USB зарядка без страха

Зарядка смартфона от USB без опасений

Время от времени многие из нас сталкиваются с одной и той же проблемой при попытке зарядить свой смартфон или планшет от порта USB - он просто не заряжается или заряжается медленнее, чем от оригинального зарядного устройства.Недавно я купил автомобильное зарядное устройство USB для питания своего Samsung Galaxy Tab Pro 10.1 в дороге и обнаружил, что оно не работает. Несмотря на то, что Galaxy Tab на самом деле видит подключенное зарядное устройство, он просто отмечает его как нераспознанный источник питания. Причина проста - Galaxy Tab Pro не считает зарядное устройство «родным зарядным устройством».

Что такое "родное" зарядное устройство?

Родное зарядное устройство для смартфона или планшета часто имеет специальную сигнатуру напряжения на линиях передачи данных USB, чтобы устройство могло распознать зарядное устройство и определить максимальный зарядный ток, который оно может потреблять от источника питания.Намерение двоякое. Во-первых, это не позволяет устройству потреблять слишком много тока от зарядного устройства. Во-вторых, предотвращает зарядку от нераспознанных источников питания. Ключевым словом здесь является «непризнанный», поскольку получение прибыли от продажи дополнительных аксессуаров для устройств (зарядных устройств), безусловно, является бизнес-стратегией.

DCP - специальный порт для зарядки

Спецификация

USB определяет новый тип порта - USB для зарядки аккумулятора. В выделенном USB-порте для зарядки линии передачи данных D + и D– должны быть закорочены вместе с максимальным последовательным сопротивлением 200 Ом.Или просто закоротил. Некоторым мобильным устройствам этого достаточно для начала зарядки.

Устройства Samsung

Устройствам

Samsung требуется напряжение 1,2 В на линиях передачи данных D + и D-, см. Схему ниже. Делитель напряжения R1 / R2 обеспечивает необходимое напряжение на контактах D + и D- разъема USB, чтобы его можно было распознать как стандартное зарядное устройство Samsung. Вот и все. Единственная проблема заключается в том, что полностью разряженный аккумулятор Galaxy Tab может потреблять даже более 500 мА от порта USB, когда USB 2.0, ограничивающая максимальную токовую нагрузку до 500 мА. Спецификация USB 3.0 вносит здесь улучшения и увеличила максимальный ток до 900 мА. Значения резистора делителя не являются критическими, поскольку коэффициент делителя остается прежним, то есть 0,24 или ближе.

Если вы хотите сделать свой собственный разделитель, вы можете загрузить файлы проекта Eagle.

Ниже представлен USB-адаптер для зарядки китайского производства для устройств Samsung, реализующий схему выше.На этикетке написано, что это TF-USB-P1000 V1.0, но это просто фальшивка ...

Устройства Apple iPhone и iPad

Зарядные устройства Apple

также указывают максимальный зарядный ток по напряжениям на линиях D- и D +. Возможные конфигурации перечислены в таблице.

Конфигурация № D + Д- Максимальный ток
1 2 В 2 В 500 мА
2 2 В 2.7 В 1A
3 2,7 В 2 В 2,1 А
4 2,7 В 2,7 В 2,4 А

Адаптер для конфигурации №1 будет выглядеть так:

Контроллер USB-порта для зарядки

Контроллер выделенного USB-порта для зарядки TPS2514 компании

Texas Instrument специально разработан для реализации всех схем зарядки, упомянутых выше.Функция автоопределения контролирует напряжение линии передачи данных USB и автоматически обеспечивает правильные электрические сигнатуры на линиях данных D + и D–. Обратите внимание, что в таблице данных чипа никогда не упоминались Samsung или Apple, в частности, по-видимому, из-за проблем с авторскими правами. Вместо этого он упомянул режим 1,2 В и различные режимы зарядки Apple, такие как Divider 1, Divider 2 и Divider 3. Существует две модификации чипа. TPS2514 имеет делители 1 и 2 для конфигурации №2 и №3, тогда как TPS2514A только Apple Divider 3 для конфигурации №4.Оба чипа поддерживают зарядку DCP и Samsung. Обратите внимание, что разделитель 1 или разделитель 2 настраивается путем переключения подключения к линиям передачи данных USB. Другими словами, он предварительно смонтирован, и сделать это на лету невозможно.

С устройством TPS2514 реализовать USB-адаптер для зарядки очень просто, см. Схему ниже. При зарядке устройств Apple ток ограничен до 1А, так как схема зарядки делителя 1 реализована с D + = 2,0 В и D− = 2,7 В. Также старайтесь использовать кабели для зарядки хорошего качества.Один особенно плохой кабель, который я использовал, привел к значительному падению напряжения, вынудившему мое устройство Samsung переключиться в режим медленной зарядки.

Файлы проекта Eagle находятся здесь.

Примечание. Проблема на самом деле более сложная, и есть гораздо больше, помимо обеспечения правильного напряжения на выводах D + и D-. Большинство телефонов / планшетов имеют сложную схему контроллера заряда, и если напряжение питания под нагрузкой опускается ниже 5,25 В, ток зарядки также ограничивается.Например, ток изменения моего планшета Galaxy Tab Pro составляет 1,7 А при напряжении 5,25 В с использованием схемы TPS2514, приведенной выше, и подключения к оригинальному зарядному устройству Samsung, рассчитанному на 5,3 В / 2 А. При переключении на стороннее зарядное устройство 5 В с номиналом 5 В / 2,1 А ток упал до 1,37 А при зарядном напряжении 5,07 В. И, наконец, при зарядке от настольного порта USB 3 ток около 0,58 А при напряжении 4,79 В.

QC 2.0 / 3.0 Зарядка через USB

См. QC 2.0 / 3.0 Зарядное устройство USB

Основы зарядки аккумулятора через USB

Оглавление
Введение
Массив источников питания
Определение типа источника
Терминология USB-подключения
Обнаружение порта и самонаборное зарядное устройство
Добавление обнаружения порта
Другие стратегии зарядки
USB 3.0
«Обман» - несоответствующая зарядка через USB
Заключение
Введение
USB стал таким же стандартом для подключения питания к портативным устройствам, как и для последовательной связи. В последнее время аспекты питания USB были расширены, чтобы охватить зарядку аккумуляторов, а также адаптеры переменного тока и другие источники питания. Ощутимым преимуществом такого широкого использования является появление сменных вилок и адаптеров для зарядки и питания портативных устройств. Это, в свою очередь, позволяет заряжать от гораздо более широкого круга источников, чем раньше, когда каждому устройству требовался уникальный адаптер.

Пожалуй, наиболее полезным преимуществом возможностей USB-источника питания является возможность зарядки аккумуляторов портативных устройств. Тем не менее, зарядка аккумулятора - это нечто большее, чем выбор источника питания, USB или другого. Это особенно верно для аккумуляторов Li +, неправильная зарядка которых может не только сократить срок службы аккумулятора, но и стать угрозой безопасности. Хорошо продуманное зарядное устройство оптимизирует безопасность и удобство использования. Это также снижает затраты за счет сокращения возврата клиентов и гарантийного ремонта.

Зарядка аккумуляторов с помощью USB требует баланса между «уходом и питанием» аккумуляторов с ограничениями мощности USB, а также размером и ценой, которые когда-либо присутствовали в портативных потребительских устройствах.В этой статье рассказывается, как достичь этого баланса.

Массив источников энергии
Спецификация USB охватывает несколько поколений управления питанием. Первоначальные спецификации USB 1 и 2.0 описывали два типа источников питания (5 В 500 мА и 5 В 100 мА соответственно) для питания подключенных устройств. Эти спецификации были написаны не с учетом зарядки аккумулятора, а предназначены только для питания небольших периферийных устройств, таких как мыши и клавиатуры. Конечно, это не помешало дизайнерам самостоятельно отработать зарядку аккумулятора через USB.Однако без единого руководства совместимость между различными устройствами и зарядными устройствами была затруднена. Это ограничение послужило причиной недавней разработки дополнительной спецификации USB, Спецификации зарядки аккумулятора , Ред. 1.1, 15.04.2009 (BC1.1) , ¹, которая подтверждает зарядку и описывает источники питания, которые могут обеспечивать ток до 1,5 А. Хотя документ озаглавлен «Спецификация зарядки аккумулятора», на самом деле он не содержит ничего о специфике зарядки аккумуляторов. Он касается только того, как должно потребляться питание от USB-порта для зарядки.Фактические методы зарядки остаются на усмотрение отдельных разработчиков.

До BC1.1 все порты питания USB, когда они были активны (т.е. «не приостановлены», на языке USB), классифицировались как «маломощные» (100 мА) или «высокие» (500 мА). Любой порт также может быть «приостановлен», что означает, что почти отключены, но все еще могут подавать 2,5 мА. По большей части порты на ПК, ноутбуках и концентраторах с питанием (концентратор с питанием - это коммутационная коробка USB с собственной розеткой для питания шины) являются «High Power», а порты на концентраторах, которые не получают никакого питания, кроме как питание от восходящего USB-хоста считается "маломощным".«После подключения устройству сначала разрешается потреблять до 100 мА при перечислении и согласовании своего текущего бюджета с хостом. Впоследствии ему может быть разрешено увеличить потребление до 500 мА или оно может поддерживаться на уровне 100 мА. Это подробно описано в Спецификация последовательной шины USB версии 2.0, раздел 7.2.1.4.

BC1.1 выходит за рамки распределения питания, описанного в USB 2.0, определяя дополнительные источники питания для зарядки. Он определяет три различных типа источников:

  1. Стандартный нисходящий порт (SDP) Это тот же порт, который определяется USB 2.0 и является типичной формой для настольных и портативных компьютеров. Максимальный ток нагрузки составляет 2,5 мА в режиме ожидания, 100 мА в режиме подключения и без приостановки и 500 мА (макс.) При настройке на этот ток. Устройство может распознать SDP с помощью оборудования, обнаружив, что линии передачи данных USB, D + и D-, отдельно заземлены через 15 кОм, но его все равно необходимо перечислить для совместимости с USB. В USB 2.0 не совсем законно потреблять питание без перечисления, хотя большая часть современного оборудования делает именно это и в нарушение спецификации.
  2. Нисходящий порт зарядки (CDP) BC1.1 определяет этот новый, более мощный порт USB для ПК, ноутбуков и другого оборудования. Теперь CDP может подавать ток до 1,5 А, что является отличием от USB 2.0, поскольку этот ток может подаваться до перечисления. Устройство, подключенное к CDP, может распознать его как таковое с помощью аппаратного квитирования, реализованного путем манипулирования и мониторинга линий D + и D-. (См. Спецификацию зарядки аккумулятора USB , раздел 3.2.3 .) Проверка оборудования проводится перед переключением линий данных на приемопередатчик USB, что позволяет обнаружить CDP (и начать зарядку) перед перечислением.
  3. Выделенный порт для зарядки (DCP) BC1.1 описывает источники питания, такие как бородавки и автоматические адаптеры, которые не перечисляются, поэтому зарядка может происходить без цифровой связи вообще. DCP могут подавать ток до 1,5 А и идентифицируются по короткому замыканию между D + и D-. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Это позволяет создавать «настенные бородавки» DCP, в которых используется мини- или микроразъем USB вместо постоянно подключенного провода с цилиндрическим или индивидуальным разъемом. Такие переходники позволяют использовать любой USB-кабель (с подходящими штекерами) для зарядки.
Дополнительные сведения об этих типах портов описаны в спецификации USB Battery Charging Specification, Rev 1.1, 15.04.2009 .
Определение типа источника
Уловка для устройства, которое подключается к любому USB-разъему и использует эту мощность для автономной работы или зарядки аккумулятора, заключается в том, чтобы знать, какой ток необходимо потреблять. Попытка получить 1 А от источника, способного выдавать только 500 мА, не будет хорошей. Перегруженный порт USB, скорее всего, отключится, перегорит предохранитель или сработает переключатель.Даже при наличии сбрасываемой защиты он часто не перезапускается, пока устройство не будет отключено и повторно подключено. В портах с менее строгой защитой перегруженный порт может вызвать перезагрузку всей системы.

Портативная конструкция позволяет выбирать способ обнаружения портов. Он может быть совместим с BC1.1, совместим только с USB 2.0 или несовместим. Если он полностью совместим с BC1.1, он должен иметь возможность определять и ограничивать входной ток для всех типов источников USB, включая устаревшие порты USB 1 и 2.0. Если соответствует 2.0, он будет взимать плату с SDP после перечисления, но может не распознавать CDP и DCP. Если он не может распознать CDP, он все еще может заряжаться и оставаться совместимым, но только после перечисления, так же, как это было бы с SDP. Другие частично совместимые и несовместимые схемы зарядки будут обсуждены позже.

Устройство может реализовать обнаружение портов с помощью собственного программного обеспечения или может использовать зарядное устройство или интерфейсную ИС, которые обнаруживают, взаимодействуя с линиями данных USB D + и D-, не полагаясь на системные ресурсы.Разделение этих ролей в проекте зависит от архитектуры системы. Например, устройство, которое уже использует микроконтроллер или выделенную ИС для управления питанием, может предпочесть использовать эту ИС для обнаружения портов и выбора тока. Поскольку устройство уже может обмениваться данными с хостом через USB-соединение, оно может выбирать зарядку на основе результатов перечисления и конфигурации. Эти варианты могут находиться под управлением процессора приложений или отдельного микроконтроллера, который может обрабатывать управление питанием и другие системные функции.Система определяет тип порта, перечисляет и отправляет соответствующие команды на зарядное устройство. Зарядное устройство управляет аппаратными и безопасными аспектами зарядки и имеет встроенные ограничения, которые не позволят системе повредить аккумулятор ( Рисунок 1 ).


Рисунок 1. Зарядное устройство без счетчика. Приемопередатчик USB и микропроцессор обрабатывают перечисление USB. Затем микропроцессор устанавливает правильные параметры зарядного устройства.

Другое устройство может быть не предназначено для связи с USB или не хочет выделять системное программное обеспечение для управления зарядкой USB.Он просто хочет использовать доступные USB-порты в качестве источника питания. Этот подход можно использовать, чтобы избежать сложности или в ответ на опасения, что ошибка программного обеспечения может привести к неправильной зарядке. Поскольку система не перечисляет, лучшим вариантом зарядки является самонаборное зарядное устройство. Зарядное устройство заботится об обнаружении порта и выбирает соответствующий предел тока нагрузки USB, не требуя помощи со стороны системы (, рис. 2, ).


Рис. 2. Зарядное устройство с автоматическим перечислением подключается непосредственно к линиям передачи данных USB, что позволяет простым системам полностью использовать зарядку через USB без ресурсов приемопередатчика USB или микропроцессора.

Терминология USB-подключения
На этом этапе некоторые термины USB заслуживают пояснения. Это «присоединение», «подключение», «перечисление» и «настройка».
    Присоединить Физический процесс подключения USB-кабеля.
    Подключение Когда устройство (которое вы только что подключили) подключает подтягивающее сопротивление 1,5 кОм к линиям данных D + или D-.
    Перечислить Начальный обмен данными между устройством и хостом для определения типа устройства.
    Конфигурация Настройка параметров устройства.
В USB 2.0 именно во время перечисления и настройки устройство узнает, какой ток через порт USB может быть источником. Для перечисления и настройки требуется цифровой диалог между устройством и хостом. BC1.1 расширяет спецификацию USB. В дополнение к опциям USB 2.0, BC1.1 также позволяет «глупые» методы определения типа порта, так что с некоторыми портами зарядка может происходить без перечисления.
Зарядное устройство с обнаружением портов и самоперечислением
MAX8895 определяет, как лучше всего использовать доступную входную мощность, не полагаясь на систему для оценки источника питания.Зарядное устройство автоматически определяет тип адаптера и может различать:
  1. DCP : от 500 мА до 1,5 А
  2. CDP (хост или концентратор): до 900 мА (580 мА во время чирпа) для Hi-Speed; до 1,5 А для низкой и быстрой скорости
  3. SDP с низким энергопотреблением (хост или концентратор): 100 мА
  4. SDP высокой мощности (хост или концентратор): 500 мА
Доступный ток может использоваться батареей или системой, или он может быть разделен между ними. Встроенный таймер приостановки автоматически запускает приостановку, если трафик шины не обнаружен в течение 10 мс.

Помимо автоматической оптимизации тока от источников USB и адаптеров, MAX8895 также ловко выполняет переключение с адаптера и питания USB на питание от батареи; это позволяет системе использовать всю доступную входную мощность при необходимости ( Рисунок 3 ). Это обеспечивает немедленную работу с разряженной или отсутствующей батареей при подаче питания. Все полевые МОП-транзисторы с усилителем рулевого управления интегрированы, и внешние диоды не требуются. Температура кристалла поддерживается на низком уровне с помощью контура терморегулирования, который снижает ток заряда при экстремальных температурах.


Рис. 3. Зарядное устройство MAX8895 автоматически регистрируется с источником USB для оптимальной настройки тока заряда в зависимости от типа подключенного источника питания. Он также может поддерживать работу системы, одновременно поддерживая глубоко разряженный аккумулятор.

Добавление обнаружения порта
BC1.1 описывает методы обнаружения оборудования для определения типа порта. Ожидается, что для этого будет использоваться интегральная схема, как в случае с MAX8895 на рисунке 2, или что эта схема будет включена в приемопередатчик USB.Тем не менее, иногда может быть предпочтительнее добавить обнаружение порта или, по крайней мере, его часть к существующему зарядному устройству. На рис. 4 показана схема элементарной схемы обнаружения зарядного устройства USB, которая работает под управлением системного микроконтроллера. Этот подход может обнаруживать DCP, но не может различать SDP и CDP. Он рассматривает оба как SDP, что означает, что в некоторых случаях он может упустить возможность потреблять больше зарядного тока от CDP. Этот недостаток может быть приемлемым в малобюджетных конструкциях.


Рис. 4. Высокоскоростной USB-переключатель реализует ограниченную форму обнаружения зарядного устройства USB.

Соединение, показанное на Рисунке 4, реализует ограниченное обнаружение порта следующим образом. Когда портативное устройство подключено к одному из трех типов портов, шина V BUS питает коммутатор U1 и микроконтроллер устройства. Низкий логический уровень на входе CB U1 переводит его в режим обнаружения, где линия D + подтягивается до напряжения системной логики через 10 кОм, а D- подтягивается к GND через 100 кОм.Если подключен DCP (у которого D + закорочен на D-), то D- станет высоким. Если подключен SDP или CDP, выход D- и обнаружения будет низким. Если обнаруживается SDP или CDP, система затем переводит CB в низкий уровень, чтобы перевести коммутатор в режим данных, который соединяет D + и D- с каналом данных для перечисления и другой передачи данных. У приведенной выше схемы есть ограничение: она не распознает и, следовательно, не заряжает сразу же, когда присоединена к CDP, хотя она будет взимать плату с CDP после перечисления.

Полное обнаружение порта показано на рис. 5 . MAX14578 содержит все схемы, необходимые для обнаружения подключенного устройства (USB-кабель, USB-CDP или специальное зарядное устройство) и управления внешним зарядным устройством для литий-ионных аккумуляторов. В устройстве реализована логика обнаружения, совместимая с USB Battery Charging Rev 1.1, которая включает обнаружение контакта данных, обнаружение короткого замыкания D + / D- и идентификацию CDP. Кроме того, он включает в себя таймер зарядки и монитор низкого напряжения батареи для поддержки USB BC1.1 Положения «разряженной батареи».

MAX14578 включает переключатель данных, совместимый с USB Hi-Speed ​​и исходными (полная и низкая скорость) сигналами. Он имеет низкое сопротивление в открытом состоянии (R ON ), низкую плоскостность сопротивления и очень низкую емкость. Контакты CDN и CDP также защищены от электростатического разряда до 15 кВ в соответствии с моделью человеческого тела.


Рис. 5. Полностью совместимое обнаружение порта USB BC1.1 можно добавить к зарядному устройству с помощью детектора порта зарядки USB MAX14578 и ИС коммутатора данных.

In Рисунок 6 Простая функция зарядки Li + добавлена ​​к USB-устройству. MAX8814 можно настроить для зарядки аккумулятора от USB-портов 100 мА или 500 мА. Схема инициализируется при 100 мА. Затем микропроцессор перечисляет хост, чтобы определить его текущие возможности. Если порт USB поддерживает, зарядный ток увеличивается путем включения N1 и R1 в сети установки тока. Заряд высокого уровня номинально установлен на 425 мА, чтобы избежать превышения предела SDP 500 мА после рассмотрения допусков.Зарядное устройство также включает в себя схему автоматической загрузки, которая выдает выходной сигнал (ABO), который уведомляет систему о подключении внешнего источника питания. Несмотря на совместимость с USB, на рис. 6 отсутствует BC1.1, поэтому для зарядки требуется перечисление.


Рис. 6. MAX8814 предоставляет простое средство с небольшим количеством контактов для добавления зарядки к USB-устройству. Перечисление находится под управлением системы, которая отслеживает и контролирует ток заряда с помощью вывода ISET. Эта конструкция совместима с USB, но не включает BC1.1, поэтому для зарядки требуется перечисление.

Другие стратегии начисления платы
Ситуация с зарядкой аккумулятора через USB может быть сложной. Портативные устройства, подключенные через USB, не соответствуют одному формату и имеют множество ограничений, наиболее очевидными из которых являются размер, стоимость и время зарядки. Ранжирование этих и других более тонких проблем может помочь вам выбрать конструкцию зарядного устройства USB. Среди этих дополнительных соображений по дизайну:
  • Должно ли устройство быть способным к полнофункциональной работе с разряженной батареей после подключения внешнего (USB или адаптера) питания?
  • Требуются ли отдельные входные соединения для питания USB и адаптера?
  • Обладает ли устройство вычислительной мощностью и прошивкой для согласования решений о зарядке через порт USB?
  • Можно ли на мгновение снизить ток заряда, чтобы уменьшить тепловыделение, или требуется конструкция в режиме переключения?
  • Какие меры защиты входа необходимы?
Зарядка с несколькими входами
С BC1.1 устройства могут заряжаться только от источников, определенных через USB. Эти устройства становятся все более распространенными, но вы все же можете сохранить возможность зарядки с помощью обычного, возможно, несовместимого с USB адаптера. Это лучше всего достигается с помощью зарядного устройства с двумя входами, которое выполняет переключение, когда один внешний источник питания заменяет другой. В прошлом переключение питания часто выполнялось с помощью диодов ИЛИ с потерями или дискретных схем компаратора на полевых МОП-транзисторах, которые могут стать сложными, если учесть пути «незаметного» тока и время переключения.К счастью, многие микросхемы зарядного устройства (, рис. 7, ) теперь включают управление переключением питания. Интеграция этой функции не просто заменяет внешние компоненты. Это также улучшает переходные характеристики при изменении мощности, поскольку встроенное зарядное устройство знает, что делает схема переключения.


Рис. 7. Зарядное устройство с двумя входами, такое как MAX8844, обеспечивает зарядку как от USB, так и от адаптера. Это устройство также защищает от входных перенапряжений до 28 В.

Общая проблема зарядных устройств, которые принимают питание от нескольких источников, особенно с использованием обычного цилиндрического разъема, - это возможное подключение к неправильному адаптеру.Чтобы предвидеть это, MAX8844 предотвращает зарядку входов, превышающих 7,5 В. Он также может выдерживать и блокировать входное напряжение до 28 В. Это защищает аккумулятор, зарядное устройство и последующие цепи от случайного подключения практически к любому известному типу адаптера. Кроме того, MAX8844 включает LDO с защитой от перенапряжения, смещенные от входов USB и адаптера (IN), которые могут подавать в систему 30 мА. Эти выходы LDO (SAFEUSB и SAFEOUT) остаются включенными независимо от того, включено зарядное устройство или нет. Другие функции зарядного устройства, выполняемые устройством: обнаружение батареи; тепловое ограничение, которое снижает ток заряда для поддержания низкой температуры кристалла при экстремальных температурах окружающей среды; и логический выход автозагрузки, который сигнализирует системе о подаче внешнего питания.

Переключение нагрузки батареи (Smart Power) и прямое подключение
В приложениях для зарядки с питанием от USB и адаптера ключевым конструктивным решением является то, будет ли схема зарядки подключаться напрямую к аккумулятору и нагрузке системы, или требуется дополнительное переключение. необходим для отключения аккумулятора от системы при подключении внешнего источника питания. Эти два случая проиллюстрированы на рис. 8 .


Рис. 8. Иллюстрация зарядки с прямым подключением и технологии Maxim's Smart Power Selector ™.

Архитектура прямого подключения является самой простой и наиболее экономичной в реализации. Его главный недостаток проявляется в том, что аккумулятор сильно разряжен, а затем применяется внешнее питание. В этом случае система может не загрузиться, пока заряд батареи не достигнет приемлемого уровня. В некоторых приложениях для пользователя может быть приемлемым подождать, пока батарея частично перезарядится, прежде чем будет восстановлена ​​полная функциональность; однако в других приложениях немедленная работа при подключении внешнего источника питания является обязательной, независимо от состояния батареи.В этих последних случаях технология Smart Power Selector от Maxim позволяет системе использовать внешнее питание, когда батарея находится в глубоко разряженном состоянии. См. Рисунок 9 .


Рис. 9. Зарядное устройство USB с двумя входами и адаптером с функцией Smart Power Selector, такое как MAX8934, может немедленно запитать систему при подаче внешнего питания, одновременно заряжая разряженную батарею.

На рисунке 9 встроенный МОП-транзистор с низким сопротивлением (40 мОм) между выходом системной нагрузки (SYS) и аккумулятором (BAT) выполняет несколько функций во время операций зарядки и разрядки.Во время зарядки этот переключатель интеллектуального выбора мощности наилучшим образом использует ограниченную мощность USB или адаптера, используя входную мощность, которая не требуется системе для зарядки аккумулятора. Это также позволяет батарее служить буфером хранения, обеспечивая пики нагрузки, которые могут на мгновение превысить предел входного тока. Во время разряда коммутатор обеспечивает путь от батареи к системе с малыми потерями.

Системное программное обеспечение снова обрабатывает связь с USB-хостом и отправляет команды зарядному устройству. MAX8394 управляет аппаратными аспектами зарядки и предоставляет простые крючки для настройки параметров зарядки, относящихся к зарядке через USB и адаптер.Пределы входного тока USB предварительно установлены, чтобы гарантировать, что указанные пределы не превышаются; для адаптеров используется ток, установленный пользователем. Зарядное устройство также подает в систему полный набор сигналов о состоянии и неисправностях.

MAX8934 включает в себя новейшие функции безопасности при зарядке, в том числе новые протоколы зарядки в зависимости от температуры, разработанные Японской ассоциацией электроники и информационных технологий (JEITA), которые останавливают или сокращают зарядку при повышенных температурах. Кроме того, входы имеют защиту от перенапряжения (OVP) до 16 В, а устройство ограничивает повышение температуры, регулируя ток зарядки в экстремальных условиях.

Switch-Mode Быстрая зарядка до 2 А с минимальным нагревом
Некоторым компактным устройствам требуются большие токи заряда (значительно превышающие 1 А), но они не могут переносить избыточное тепло, которое такая скорость зарядки может генерировать в линейном зарядном устройстве. В таких ситуациях MAX8903 (, рис. 10, ) работает с преобразователем постоянного тока в постоянный ток с частотой 4 МГц, который уменьшает занимаемую площадь, занимаемую компонентами, при этом обеспечивая подачу тока до 2 А на батарею от источников адаптера. Как и MAX8934, MAX8903 представляет собой дизайн с двумя входами, который позволяет подключать входы USB и адаптера через отдельные соединения.Переключение между источниками питания происходит автоматически, как и переключение между входным питанием и питанием от батареи.


Рис. 10. Импульсное зарядное устройство MAX8903 с функцией Smart Power Selector заряжает до 2 А от входов адаптера и до 500 мА от источников USB.

Частота переключения MAX8903 4 МГц сохраняет пассивные компоненты импульсного преобразователя крошечными, поэтому зарядное устройство на 2 А, изготовленное с этим устройством, может быть меньше линейного эквивалента с учетом более низких потерь мощности.Фактически, из-за рассеивания тепла большинство портативных устройств не выдержат линейной конструкции зарядного устройства 2А ни при каких условиях.

Встроенная защита от перенапряжения и обратной полярности
Хотя спецификация зарядки USB налагает некоторый порядок на адаптер питания и ландшафт зарядного устройства, дизайн USB остается в целом хаотичной средой для портативных устройств, особенно для тех приложений, которые предпочитают использовать повсеместно цилиндрический разъем для питания (общий для многих устройств с адаптером и с двумя входами).Потребителям слишком легко подключить «найденный» адаптер, у которого может быть неправильное выходное напряжение или даже неправильная полярность. За счет интеграции положительной и отрицательной защиты 22 В на входе питания зарядного устройства MAX8900 добавляет разумности этим конструкциям, не требуя внешних устройств защиты или переключателей MOSFET (, рис. 11, ).


Рис. 11. Импульсное зарядное устройство с прямым подключением, с защитой от перенапряжения ± 22 В и защитой от обратной полярности.

MAX8900 - это зарядное устройство с прямым подключением, система которого обычно подключается к батарее.Его конструкция с переключаемым режимом 3,25 МГц сохраняет компактность компонентов при зарядке до 1,2 А с минимальным тепловыделением. Помимо защиты от биполярного входа, безопасность батареи повышается за счет регулировки параметров заряда в зависимости от температуры в соответствии с директивами JEITA.

NiMH Зарядка от USB


Рис. 12. Одноэлементное зарядное устройство NiMH с питанием от USB.

Несмотря на то, что кажется, что Li + -элементы захватили мир портативных устройств, NiMH-элементы не стоят на месте.Удивительно, но энергия NiMH на единицу объема всего примерно на 15% ниже, чем у Li +, хотя энергия на единицу веса все же намного меньше. Самым большим недостатком NiMH является его высокий саморазряд, который в значительной степени решен гибридными NiMH элементами, такими как SANYO® Eneloop®, которые сохраняют до 85% своего заряда через год. Преимущества NiMH-элементов заключаются в стоимости, безопасности и простоте замены пользователем, по крайней мере, при использовании стандартных элементов.

На рисунке 12 показано небольшое портативное устройство, которое питается от одного NiMH элемента AA и заряжается от USB.Зарядное устройство DS2710 переключается на частоте примерно 150 кГц и заряжает аккумулятор при токе 1,1 А (около 0,5 ° C для типичного никель-металлгидридного элемента AA). Схема получает больше тока в батарею (1,1 А), чем через порт USB (500 мА), потому что понижающий коэффициент преобразует 5 В при 500 мА в 1,5 В при 1,1 А. Следует отметить, что зарядка может происходить только с портами 500 мА или более, поскольку правильное завершение зарядки не может быть гарантировано при низких скоростях зарядки. Следовательно, зарядку не следует активировать, если перечисление определяет, что доступно только 100 мА.Система деактивирует зарядное устройство, отключив Q2, чтобы стабилизировать резистор таймера на уровне TMR.

Еще одна особенно полезная особенность этого зарядного устройства заключается в том, что оно определяет полное сопротивление аккумулятора, чтобы определить, вставлен ли щелочной элемент или неисправный аккумулятор. В этом случае зарядка приостанавливается. Это позволяет конечным пользователям подключить щелочную батарею в экстренной ситуации и не беспокоиться о случайной зарядке.

USB 3.0
Спецификация USB 3.0 обеспечивает еще более высокую скорость передачи данных для USB. Характеристики питания в спецификации аналогичны USB 2.0, за исключением того, что «единичная нагрузка» повышается со 100 мА до 150 мА, а порт высокой мощности должен обеспечивать шесть, а не пять единичных нагрузок. Это означает, что порт USB 3.0 с низким энергопотреблением может обеспечивать ток 150 мА, а порт USB 3.0 высокой мощности - 900 мА.
«Обман» - несоответствующая зарядка через USB
Как и в случае любого стандарта, который используется для целей, не предназначенных изначально, производители иногда игнорировали часть требований USB 2.0, чтобы обеспечить хотя бы ограниченную форму зарядки. Одна из таких несоответствующих схем, используемых крупным производителем, заключалась в том, чтобы потреблять не более 100 мА при любых обстоятельствах, так что ни мощные, ни маломощные концентраторы не были перегружены.Обратной стороной ограничения тока до этого уровня было то, что время зарядки аккумулятора было долгим, но если устройство большую часть дня проводило в стыковке с USB-портом, этого могло быть достаточно. Помимо долгого времени зарядки, у этого подхода было еще одно ограничение: если в системе разряжена батарея, полная функциональность будет отложена до тех пор, пока батарея не достигнет достаточного уровня заряда.

Другой аспект несоответствующей зарядки связан с обработкой приостановки USB. USB 2.0 требует, чтобы все устройства были приостановлены (менее 2.5 мА) после заданного периода бездействия шины. Поскольку когда это было написано, зарядка никогда не включалась, не предполагалось, что устройство продолжит заряжать аккумулятор в выключенном состоянии, но все еще подключено. Однако, поскольку большинство USB-хостов фактически не отключают питание, это нарушение спецификации редко препятствует зарядке.

Более смелая несовместимая схема предполагает, что будет доступно 500 мА, и инструктирует пользователей подключаться только к портам с питанием и концентраторам, способным к 500 мА. Опять же, поскольку большинство портов USB не отключают питание, этот подход может работать в большинстве случаев.Когда такое устройство подключено к порту, который не может поддерживать ток 500 мА, предполагается, что порт отключится. Однако поведение USB-порта при перегрузке не всегда четко определено и может привести к перезагрузке или повреждению системы. К счастью, такого уровня отчаяния больше не требуется, поскольку зарядка аккумулятора теперь является активной частью спецификации USB.

Заключение
Зарядка от USB может принимать разные формы, в зависимости от уникальных требований каждого USB-устройства. Спецификация зарядки аккумулятора USB .Версия 1.1 , наконец, добавляет столь необходимую единообразие к тому, что ранее было спонтанной зарядкой. Внедрение BC1.1 должно привести к снижению затрат для производителей и потребителей, а также к большей совместимости по мере появления стандартных адаптеров. Тем не менее, рекомендации USB касаются только того, как отводится питание от порта; они по-прежнему оставляют открытыми для интерпретации архитектуры управления питанием и особенности зарядки. Именно здесь становится важным широкий спектр зарядных устройств Maxim, поскольку они могут помочь ускорить разработку безопасных и надежных зарядных устройств практически для любого портативного устройства, подключенного через USB.

Обсуждаемые зарядные устройства приведены в таблице , таблица 1 . Это лишь малая часть того, что предлагает Максим. Чтобы узнать о других возможностях, посетите раздел «Управление батареями».

Таблица 1. Типичные USB-зарядные устройства

¹Спецификации последовательной шины USB и зарядки можно найти по адресу: www.usb.org/developers/docs/.

Принципиальная схема заряжающего автомобиля: (а) подвижное устройство и ...

Контекст 1

... Структура транспортного средства с отделяемой решеткой зарядных устройств. На рисунке 1 представлена ​​принципиальная схема потенциальной конструкции зарядного устройства. Зарядное транспортное средство может быть спроектировано, как показано на рисунке 1 (а), и состоит из движущегося устройства (оснащенного другими необходимыми модулями, такими как глобальная система позиционирования (GPS), светоизлучающий диод (LED) для получения сигнала и связи, которые не показаны) и отделяемый блок зарядных устройств. Движущееся устройство отвечает за транспортировку зарядного устройства по запланированным маршрутам зарядки, а также за сбор использованных зарядных устройств обратно на базовую станцию ​​для подзарядки.Устройство GPS, интегрированное в это движущееся устройство, отслеживает положение и направляет автомобиль в соответствии с запланированными маршрутами, полученными от базовой станции. Модуль сбора светодиодного сигнала отвечает за прием светодиодного светового сигнала от заряжаемых датчиков или аккумуляторов. Световой сигнал используется для направления заряжающей машины к точному положению целей (датчиков или аккумуляторных батарей). Съемный блок зарядного устройства состоит из нескольких зарядных устройств и механического приспособления, как показано на рисунке 1 (b), с возможностью управления движением по осям x, y и z, которые могут захватить зарядное устройство для его разгрузки. к датчику, нуждающемуся в подзарядке, и зарядному устройству, которое выполнило свою работу.Прототип этого зарядного устройства находится в стадии строительства, и его оценочная стоимость составляет приблизительно ...

Контекст 2

... Структура транспортного средства с отделяемым зарядным устройством На рис. заряжающий автомобиль. Зарядное транспортное средство может быть спроектировано, как показано на рисунке 1 (а), и состоит из движущегося устройства (оснащенного другими необходимыми модулями, такими как глобальная система позиционирования (GPS), светоизлучающий диод (LED) для получения сигнала и связи, которые не показаны) и отделяемый блок зарядных устройств.Движущееся устройство отвечает за транспортировку зарядного устройства по запланированным маршрутам зарядки, а также за сбор использованных зарядных устройств обратно на базовую станцию ​​для подзарядки. Устройство GPS, интегрированное в это движущееся устройство, отслеживает положение и направляет автомобиль в соответствии с запланированными маршрутами, полученными от базовой станции. Модуль сбора светодиодного сигнала отвечает за прием светодиодного светового сигнала от заряжаемых датчиков или аккумуляторов. Световой сигнал используется для направления заряжающей машины к точному положению целей (датчиков или аккумуляторных батарей).Съемный блок зарядного устройства состоит из нескольких зарядных устройств и механического приспособления, как показано на рисунке 1 (b), с возможностью управления движением по осям x, y и z, которые могут захватить зарядное устройство для его разгрузки. к датчику, нуждающемуся в подзарядке, и зарядному устройству, которое выполнило свою работу. Прототип этого зарядного автомобиля находится в стадии разработки, и его оценочная стоимость составляет приблизительно ...

Контекст 3

... Структура автомобиля с отделяемым зарядным устройством На рис. 1 представлена ​​принципиальная схема потенциальной конструкции зарядного устройства. заряжающий автомобиль.Зарядное транспортное средство может быть спроектировано, как показано на рисунке 1 (а), и состоит из движущегося устройства (оснащенного другими необходимыми модулями, такими как глобальная система позиционирования (GPS), светоизлучающий диод (LED) для получения сигнала и связи, которые не показаны) и отделяемый блок зарядных устройств. Движущееся устройство отвечает за транспортировку зарядного устройства по запланированным маршрутам зарядки, а также за сбор использованных зарядных устройств обратно на базовую станцию ​​для подзарядки. Устройство GPS, интегрированное в это движущееся устройство, отслеживает положение и направляет автомобиль в соответствии с запланированными маршрутами, полученными от базовой станции.Модуль сбора светодиодного сигнала отвечает за прием светодиодного светового сигнала от заряжаемых датчиков или аккумуляторов. Световой сигнал используется для направления заряжающей машины к точному положению целей (датчиков или аккумуляторных батарей). Съемный блок зарядного устройства состоит из нескольких зарядных устройств и механического приспособления, как показано на рисунке 1 (b), с возможностью управления движением по осям x, y и z, которые могут захватить зарядное устройство для его разгрузки. к датчику, нуждающемуся в подзарядке, и зарядному устройству, которое выполнило свою работу.Прототип этой зарядной машины находится в стадии разработки, и ее оценочная стоимость составляет примерно ...

Схемы и системы для эффективной беспроводной зарядки портативных устройств

Абстрактные

В современном мире, в котором постоянно растет количество портативной электроники с низким энергопотреблением, от имплантатов до беспроводных аксессуаров, эффективное и удобное питание этих устройств становится все более серьезной проблемой. Предлагаемое решение заключается в беспроводной подзарядке этих портативных устройств с меньшей мощностью через общую магнитную связь с портативным устройством с большей мощностью, например смартфоном.Такой способ удобен для пользователей, экологически безопасен и дешев в реализации. Это портативное приложение для беспроводной зарядки отличается от традиционных систем на базе зарядных площадок тем, что передатчик имеет ограниченную энергию, поэтому эффективность системы является ключевым фактором. Кроме того, поскольку и передатчик, и приемник портативны, нагрузка на передатчик изменяется динамически, что влияет на эффективность и передаваемую мощность. Этот тезис решает эти проблемы за счет разработки эффективной и надежной системы беспроводной зарядки.Первая половина диссертации представляет собой контур управления усилителем мощности передатчика для повышения эффективности и балансировки мощности при изменении условий нагрузки. Математический анализ резонансной индуктивной беспроводной цепи питания показывает влияние изменяющихся условий на переключение усилителя мощности при нулевом напряжении и его влияние на КПД и мощность. Контур управления регулирует шунтирующую емкость усилителя мощности и последовательную индуктивность для поддержания переключения при нулевом напряжении при регулировании подаваемой мощности.Вторая половина диссертации представляет собой реализацию резонансной индуктивной системы беспроводной зарядки, работающей на частоте 6,78 МГц, которая с высокой эффективностью передает энергию между портативными устройствами. Специальная интегральная схема, разработанная на 0,18 мкм HVCMOS, реализует производный контур управления, считывая переключение нулевого напряжения усилителя мощности и регулируя компоненты усилителя мощности. Полная эффективность 78% достигается при передаче 200 мВт на расстоянии 7 мм. КПД более 70% сохраняется на расстояниях 4–12 мм.Демонстрируется разнообразный набор приложений, которые используют смартфон для беспроводной подзарядки фитнес-трекера, кохлеарного имплантата, MP3-плеера, калькулятора, игрушечного фонаря, беспроводной клавиатуры и велосипедного фонаря, заряжая большинство устройств за 2 минуты в течение типичное ежедневное использование.

Описание
Диссертация: M. Eng., Массачусетский технологический институт, факультет электротехники и информатики, 2014.

Эта электронная версия была представлена ​​автором-студентом.Заверенная диссертация имеется в Архиве и специальных собраниях института.

Каталогизируется из представленной студентами версии диссертации в формате PDF.

Включает библиографические ссылки (страницы 121–125).

Отдел
Массачусетский Технологический Институт. Кафедра электротехники и информатики.

Издатель

Массачусетский технологический институт

Ключевые слова

Электротехника и информатика.

Быстрая зарядка? Почему одни кабели заряжаются быстрее других.

Что делает хороший зарядный кабель

Ваш кабель влияет на скорость зарядки вашего устройства, поэтому, даже если у вас есть новейшее быстрое зарядное устройство, вы все равно можете заряжаться не с максимально возможной скоростью.

В чем разница между кабелями?

Снаружи многие кабели выглядят одинаково, но внутри конструкция отличается, и многие кабели имеют медленную конструкцию.Все сводится к способности троса нести большую скорость.

Внутри USB-кабеля 4 провода,

Внутренняя схема кабеля USB.
  • Белый и зеленый - для данных.
  • Красный и черный - 5 В и несут мощность для зарядки, они определяют скорость зарядки. (Некоторые протоколы быстрой зарядки могут быть до 20 В)

Количество энергии, которое может выдержать ваш кабель, определяется размером 2 проводов питания внутри, стандартный кабель имеет калибр 28 и рассчитан примерно на.5А, это стандартная скорость заряда. Кабель более быстрого зарядного устройства имеет большие внутренние провода (в основном 24 калибра), которые могут выдерживать большие токи 2А и более.

Разницу в размерах между проводами 28 и 24 калибра легко увидеть здесь, на диаграмме, но трудно различить, если их превратить в кабель USB.

Взаимосвязь между датчиком и полным током является базовой электрофизикой, провод ограничен по величине тока, который он может передавать, поэтому провод большего размера может пропускать больший ток. Этот эффект еще хуже, если вы покупаете действительно длинные зарядные USB-кабели, вы получаете более длинный кабель по цене скорости зарядки.Производители кабелей могут сделать кабель низкого сечения дешевле, чем быстрый, поэтому кабели для быстрой зарядки обычно дороже, так как провода внутри больше. Поскольку большинство устройств теперь быстро совместимы, я ожидаю, что постепенно все сторонние кабели станут быстрее. В настоящее время на рынке в основном представлены медленные стандартные кабели, поэтому, если вы готовы к быстрой зарядке, обязательно проверьте, готовы ли ваши кабели для вашего последнего устройства и зарядного устройства.

Такие кабели бывают холодных цветов и действительно длинные.Большинство из этих стильных кабелей имеют большой размер и действительно замедляют скорость зарядки. Хорошо, если вы лежите в постели или в офисе, но это бесполезно для быстрой зарядки и на новых телефонах. Некоторые из этих кабелей настолько длинные, что если вы используете их во время зарядки, аккумулятор может даже не заряжаться.

Нужен кабель для быстрой зарядки?

Сначала проверьте, поддерживает ли ваше устройство быстрое зарядное устройство (большинство из них), и у вас есть зарядное устройство, способное обеспечивать более высокую скорость. Затем проверьте оригинальный кабель, который идет в комплекте с вашим устройством. Некоторые большие телефоны и планшеты поставляются с быстрыми кабелями хорошего размера, поэтому сначала проверьте их; Если у вас нет оригинала, возьмите кабель для быстрой зарядки, соответствующий вашему устройству и желаемой длине, и наслаждайтесь полностью совместимой системой быстрой зарядки.

У нас есть несколько брендов быстрых зарядных устройств для Android и Apple, но мы настоятельно рекомендуем зарядные устройства BlitzWolf. Они предлагают отличное соотношение цены и качества.

Просмотрите рекомендованные кабели Apple, Android и TypeC.

качества в крохотной дорогой упаковке

Разборка миниатюрного зарядного устройства для iPhone размером с кубический дюйм от Apple показывает технологически продвинутый импульсный источник питания с обратным ходом, который выходит за рамки обычного зарядного устройства. Он просто принимает входной сигнал переменного тока (от 100 до 240 вольт) и производит 5 ватт плавной мощности 5 вольт, но схема для этого на удивление сложна и новаторская.

Как это работает

Адаптер питания iPhone - это импульсный источник питания, в котором входное питание включается и выключается примерно 70 000 раз в секунду, чтобы получить точное требуемое выходное напряжение. Благодаря своей конструкции импульсные источники питания, как правило, компактны и эффективны и выделяют меньше тепла по сравнению с более простыми линейными источниками питания.

Более подробно, мощность линии переменного тока сначала преобразуется в постоянное напряжение высокого напряжения [1] с помощью диодного моста. Постоянный ток включается и выключается транзистором, управляемым микросхемой контроллера источника питания.Прерванный постоянный ток подается на обратноходовой трансформатор [2], который преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Наконец, этот переменный ток преобразуется в постоянный ток, который фильтруется для получения плавной мощности без помех, и эта мощность выводится через разъем USB. Схема обратной связи измеряет выходное напряжение и отправляет сигнал на контроллер IC, который регулирует частоту переключения для получения желаемого напряжения.

На приведенном выше виде сбоку показаны некоторые из более крупных компонентов. Зарядное устройство состоит из двух печатных плат, каждая размером чуть меньше одного дюйма.[3] Верхняя плата является первичной и имеет схему высокого напряжения, а нижняя плата, вторичная, имеет схему вывода низкого напряжения. Входной переменный ток сначала проходит через плавкий резистор (полосатый), который разорвет цепь в случае катастрофической перегрузки. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток, который сглаживается двумя большими электролитическими конденсаторами (черный с белым текстом и полосой) и катушкой индуктивности (зеленый).

Затем высоковольтный постоянный ток прерывается с высокой частотой переключающим транзистором MOSFET, который представляет собой большой трехконтактный компонент в верхнем левом углу.(Второй транзистор фиксирует скачки напряжения, как будет объяснено ниже.) Прерванный постоянный ток поступает на обратноходовой трансформатор (желтый, едва видимый за транзисторами), у которого есть выходные провода низкого напряжения, идущие к вторичной плате ниже. (Эти провода были обрезаны во время разборки.) Вторичная плата преобразует низкое напряжение трансформатора в постоянный ток, фильтрует его, а затем подает через разъем USB (серебряный прямоугольник в нижнем левом углу). Серый ленточный кабель (едва виден в правом нижнем углу под конденсатором) обеспечивает обратную связь от вторичной платы к микросхеме контроллера, чтобы поддерживать стабилизированное напряжение.

На приведенном выше рисунке более четко показан обратноходовой трансформатор (желтый) над разъемом USB. Большой синий компонент представляет собой специальный Y-образный конденсатор [4] для уменьшения помех. Микросхема контроллера видна над трансформатором в верхней части первичной платы. [5]

Схема в деталях

Первичный

На первичной печатной плате с обеих сторон размещены компоненты для поверхностного монтажа. На внутренней стороне (диаграмма вверху) находятся большие компоненты, а на внешней стороне (диаграмма внизу) - микросхема контроллера.(Крупные компоненты были удалены на схемах и обозначены курсивом.) Входное питание подключается к углам платы, проходит через 10 & Ом; плавкий резистор и выпрямляется до постоянного тока четырьмя диодами. Две демпфирующие цепи R-C поглощают электромагнитные помехи, создаваемые мостом. [6] Постоянный ток фильтруется двумя большими электролитическими конденсаторами и катушкой индуктивности, создавая 125–340 В постоянного тока. Обратите внимание на толщину дорожек на печатной плате, соединяющих эти конденсаторы и другие сильноточные компоненты, по сравнению с тонкими дорожками управления.

Источником питания управляет 8-контактная микросхема контроллера квазирезонансного SMPS STMicrosystems L6565. [7] Микросхема контроллера управляет переключающим транзистором MOSFET, который прерывает постоянный ток высокого напряжения и подает его на первичную обмотку обратноходового трансформатора. Контроллер IC принимает различные входные сигналы (обратная связь по вторичному напряжению, входное напряжение постоянного тока, первичный ток трансформатора и измерение размагничивания трансформатора) и регулирует частоту переключения и синхронизацию для управления выходным напряжением через сложную внутреннюю схему.Резисторы считывания тока позволяют ИС узнать, сколько тока проходит через первичную обмотку, которая определяет, когда транзистор должен быть выключен.

Второй переключающий транзистор, вместе с некоторыми конденсаторами и диодами, является частью резонансной фиксирующей цепи, которая поглощает скачки напряжения на трансформаторе. Эта необычная и инновационная схема запатентована Flextronics. [8] [9]

Контроллер IC требует питания постоянного тока для работы; это обеспечивается вспомогательной цепью питания, состоящей из отдельной вспомогательной обмотки трансформатора, диода и конденсаторов фильтра.Поскольку микросхема контроллера должна быть включена, прежде чем трансформатор сможет начать генерировать энергию, вы можете задаться вопросом, как решается эта проблема с курицей и яйцом. Решение состоит в том, что высоковольтный постоянный ток снижается до низкого уровня с помощью резисторов пусковой мощности, чтобы обеспечить начальную мощность для ИС до тех пор, пока трансформатор не запустится. Вспомогательная обмотка также используется ИС для определения размагничивания трансформатора, которое указывает, когда следует включить переключающий транзистор. [7]

Вторичная

На вторичной плате переменный ток низкого напряжения от трансформатора выпрямляется высокоскоростным диодом Шоттки, фильтруется катушкой индуктивности и конденсаторами и подключается к выходу USB.Конденсаторы танталовых фильтров обеспечивают высокую емкость в небольшом корпусе.

USB-выход также имеет определенные сопротивления, подключенные к контактам для передачи данных, чтобы указать iPhone, какой ток может обеспечить зарядное устройство, через собственный протокол Apple. [10] На iPhone отображается сообщение «Зарядка не поддерживается с этим аксессуаром», если зарядное устройство имеет неправильное сопротивление.

Вторичная плата содержит стандартную схему обратной связи импульсного источника питания, которая контролирует выходное напряжение с помощью регулятора TL431 и обеспечивает обратную связь с микросхемой контроллера через оптрон.Вторая цепь обратной связи отключает зарядное устройство для защиты, если зарядное устройство перегревается или выходное напряжение слишком высокое. [11] Ленточный кабель обеспечивает эту обратную связь с основной платой.

Изоляция

Поскольку источник питания может иметь внутреннее напряжение до 340 В постоянного тока, безопасность является важной проблемой. Строгие нормы регулируют разделение между опасным линейным напряжением и безопасным выходным напряжением, которые изолированы за счет комбинации расстояния (называемого утечкой и зазором) и изоляции.Стандарты [12] несколько непонятны, но между двумя цепями требуется расстояние примерно 4 мм. (Как я уже говорил в «Крошечном, дешевом, опасном»: внутри (поддельного) зарядного устройства для iPhone дешевые зарядные устройства полностью игнорируют эти правила безопасности.)

Вы можете ожидать, что на первичной плате будет опасное напряжение, а на вторичной плате будет безопасное напряжение, но вторичная плата состоит из двух зон: опасной зоны, соединенной с первичной платой, и зоны низкого напряжения. Граница изоляции между этими областями составляет около 6 мм в зарядном устройстве Apple, что можно увидеть на приведенной выше диаграмме.Эта граница изоляции гарантирует, что опасные напряжения не могут достичь выхода.

Есть три типа компонентов, которые пересекают границу изоляции, и они должны быть специально разработаны для обеспечения безопасности. Ключевым компонентом является трансформатор, который обеспечивает подачу электроэнергии на выход без прямого электрического подключения. Изнутри трансформатор хорошо изолирован, как будет показано ниже. Второй тип компонентов - это оптопары, которые отправляют сигнал обратной связи от вторичной обмотки к первичной.Внутри оптопара содержит светодиод и фототранзистор, поэтому две стороны соединены только светом, а не электрической цепью. (Обратите внимание на силиконовую изоляцию на вторичной стороне оптопар, чтобы обеспечить дополнительную безопасность.) Наконец, Y-конденсатор - это конденсатор особого типа [4], который позволяет избежать электромагнитных помех (EMI) между высоковольтной первичной и низковольтной. напряжение вторичное.

На рисунке выше показаны некоторые методы изоляции.На вторичной плате (слева) установлен синий Y-конденсатор. Обратите внимание на отсутствие компонентов в середине вторичной платы, образующих границу изоляции. Компоненты справа от вторичной платы подключены к первичной плате серым ленточным кабелем, поэтому они находятся под потенциально высоким напряжением. Другое соединение между платами - это пара проводов от трансформатора обратного хода (желтый), подающего выходную мощность на вторичную плату; они были вырезаны, чтобы разделить доски.

Схема

Я собрал примерную схему, показывающую схему зарядного устройства.[13] Щелкните, чтобы увеличить версию.

Эти схемы очень маленькие

Глядя на эти изображения, легко потерять представление о том, насколько малы эти компоненты, и как зарядное устройство вмещает всю эту сложность в один дюйм. На следующем слегка увеличенном изображении показаны четверть, рисовое зерно и горчичное зерно для сравнения размеров. Большинство компонентов представляют собой устройства для поверхностного монтажа, которые припаяны непосредственно к печатной плате. Самые маленькие компоненты, такие как резистор, показанный на рисунке, известны как размер «0402», поскольку они есть.04 дюйма на 0,02 дюйма. Более крупные резисторы слева от горчичного зерна обрабатывают большую мощность и известны как размер «0805», поскольку их размер составляет 0,08 x 0,05 дюйма.

Разборка трансформатора

Обратный трансформатор является ключевым компонентом зарядного устройства, самым большим и, вероятно, самым дорогим компонентом. [14] Но что внутри? Я разобрал трансформатор, чтобы узнать.

Трансформатор имеет размеры примерно 1/2 "на 1/2" на 1/3 ". Внутри трансформатора есть три обмотки: первичная обмотка высокого напряжения, вспомогательная обмотка низкого напряжения для подачи питания на схемы управления и обмотка высокого напряжения. -токовая низковольтная выходная обмотка.Выходная обмотка подключается к черному и белому проводам, выходящим из трансформатора, а другие обмотки подключаются к контактам, прикрепленным к нижней части трансформатора.

Снаружи трансформатор покрыт парой слоев изоляционной ленты. Вторая строка начинается с «FLEX» для Flextronics. Две заземленные жилы провода намотаны вокруг трансформатора с внешней стороны для обеспечения экранирования.

После удаления экрана и ленты две половинки ферритового сердечника можно снять с обмоток.Феррит - довольно хрупкий керамический материал, поэтому при снятии сердечник сломался. Сердечник окружает обмотки и содержит магнитные поля. Размер каждого сердечника составляет примерно 6 мм x 11 мм x 4 мм; этот стиль ядра известен как EQ. Круглая центральная часть немного короче концов, что создает небольшой воздушный зазор, когда части сердечника соединяются. Этот воздушный зазор 0,28 мм сохраняет магнитную энергию для обратноходового трансформатора.

Под следующими двумя слоями ленты находится обмотка из 17 витков тонкой лакированной проволоки, которая, как мне кажется, является еще одной защитной обмоткой, возвращающей паразитные помехи на землю.

Под экраном и еще двумя слоями ленты находится 6-витковая вторичная выходная обмотка, подключенная к черному и белому проводам. Обратите внимание, что эта обмотка представляет собой проволоку большого сечения, так как она питает выход 1 А. Также обратите внимание, что обмотка имеет тройную изоляцию, что является требованием безопасности UL, чтобы гарантировать, что первичная обмотка высокого напряжения остается изолированной от выхода. Это то место, где обманывают дешевые зарядные устройства - они просто используют обычный провод вместо тройной изоляции, а также экономят на ленте.В результате вас мало что защитит от высокого напряжения, если есть дефект изоляции или скачок напряжения.

Под следующим двойным слоем ленты находится 11-витковая первичная обмотка большой толщины, которая питает ИС контроллера. Поскольку эта обмотка находится на первичной стороне, тройная изоляция не требуется. Его просто покрывают тонким слоем лака.

Под последним двойным слоем ленты находится первичная входная обмотка, состоящая из 4 слоев примерно по 23 витка в каждом.На эту обмотку подается высоковольтный ввод. Поскольку сила тока очень мала, провод может быть очень тонким. Поскольку у первичной обмотки примерно в 15 раз больше витков, чем у вторичной обмотки, вторичное напряжение будет 1/15 первичного напряжения, но в 15 раз больше тока. Таким образом, трансформатор преобразует вход высокого напряжения в выход низкого напряжения с высоким током.

На последней картинке показаны все компоненты трансформатора; слева направо показаны слои от внешней ленты до самой внутренней намотки и шпульки.

Огромная прибыль Apple

Я был удивлен, узнав, насколько огромна прибыль Apple от этих зарядных устройств. Эти зарядные устройства продаются примерно за 30 долларов. (если не подделка), но это почти вся прибыль. Samsung продает очень похожие Зарядное устройство для куба примерно за 6-10 долларов, которое я тоже разобрал (подробности напишу позже). Зарядное устройство Apple более качественное, и, по моим оценкам, внутри него стоят дополнительные компоненты на сумму около доллара. [14] Но он продается на 20 долларов дороже.

Отзыв о безопасности зарядного устройства от Apple в 2008 году

В 2008 году Apple отозвала зарядные устройства для iPhone из-за дефекта, когда штыри переменного тока могли выпасть из зарядного устройства и застрять в розетке. [15] К неисправным зарядным устройствам были прикреплены штыри с помощью того, что было описано как не более чем клей и «выдавать желаемое за действительное». [15] Apple заменила зарядные устройства модернизированной моделью, обозначенной зеленой точкой, показанной выше (которая неизбежно имитирует поддельные зарядные устройства).

Я решил посмотреть, какие улучшения безопасности Apple внесла в новое зарядное устройство, и сравнить с другими аналогичными зарядными устройствами.Я попытался вытащить штыри из зарядного устройства Apple, зарядного устройства Samsung и поддельного зарядного устройства. Поддельные зубцы достали с помощью плоскогубцев, так как их практически ничем не закрепляло, кроме трения. Штыри Samsung пришлось долго тянуть и крутить плоскогубцами, так как у них есть маленькие металлические язычки, удерживающие их на месте, но в конце концов они вышли.

Когда я перешел к зарядному устройству Apple, зубцы не сдвинулись с места, даже когда я очень сильно тянул плоскогубцами, поэтому я вытащил Dremel и протер его через корпус, чтобы выяснить, что удерживает зубцы.У них есть большие металлические фланцы, встроенные в пластик корпуса, поэтому штырь не может вырваться из-за разрушения зарядного устройства. На фотографии показана вилка Apple (обратите внимание на толщину пластика, удаленного с правой половины), контакт поддельного зарядного устройства, удерживаемый только трением, и контакт Samsung, удерживаемый небольшими, но прочными металлическими язычками.

Я впечатлен усилиями, которые Apple приложила, чтобы сделать зарядное устройство более безопасным после отзыва. Они не просто немного улучшили штыри, чтобы сделать их более безопасными; очевидно, кому-то было сказано сделать все возможное, чтобы убедиться, что зубцы не могут вырваться снова ни при каких обстоятельствах.

Что делает зарядное устройство Apple для iPhone особенным

Адаптер питания Apple явно представляет собой высококачественный источник питания, предназначенный для выработки тщательно отфильтрованной мощности. Apple явно приложила дополнительные усилия, чтобы уменьшить помехи от электромагнитных помех, вероятно, чтобы зарядное устройство не мешало работе сенсорного экрана. [16] Когда я открыл зарядное устройство, я ожидал найти стандартный дизайн, но я сравнил зарядное устройство с зарядным устройством Samsung и несколькими другими высококачественными промышленными разработками [17], и Apple выходит за рамки этих разработок по нескольким направлениям.

Входной переменный ток фильтруется через крошечное ферритовое кольцо на пластиковом корпусе (см. Фото ниже). Выход диодного моста фильтруется двумя большими конденсаторами и катушкой индуктивности. Два других демпфера R-C фильтруют диодный мост, который я видел только в других источниках питания аудио, чтобы предотвратить гудение 60 Гц; [6] возможно, это улучшает впечатление от прослушивания iTunes. В других разобранных мною зарядных устройствах не используется ферритовое кольцо, а обычно используется только один конденсатор фильтра. Плата первичной схемы имеет заземленный металлический экран над высокочастотными компонентами (см. Фото), которого я больше нигде не видел.Трансформатор имеет экранирующую обмотку для поглощения электромагнитных помех. В выходной цепи используются три конденсатора, включая два относительно дорогих танталовых [14] и катушку индуктивности для фильтрации, когда многие источники питания используют только один конденсатор. Конденсатор Y обычно не используется в других конструкциях. Резонансная зажимная схема является в высшей степени инновационной. [9]

Конструкция Apple обеспечивает дополнительную безопасность несколькими способами, о которых говорилось ранее: сверхсильными контактами переменного тока и сложной схемой отключения при перегреве / перенапряжении.Дистанция изоляции Apple между первичной и вторичной обмотками, похоже, выходит за рамки нормативных требований.

Выводы

Зарядное устройство для iPhone от Apple вмещает множество технологий в небольшое пространство. Apple приложила дополнительные усилия, чтобы обеспечить более высокое качество и безопасность, чем зарядные устройства других известных брендов, но за это качество приходится платить.

Если вас интересуют источники питания, ознакомьтесь с другими моими статьями: крошечный, дешевый, опасный: внутри (поддельного) зарядного устройства для iPhone, где я разбираю 2 доллара.79 зарядное устройство для iPhone и обнаружите, что оно нарушает многие правила безопасности; не покупайте ни одного из них. Также обратите внимание на то, что Apple не произвела революцию в источниках питания; новые транзисторы сделали, что исследует историю импульсных источников питания. Чтобы увидеть, как адаптер Apple разобран, посмотрите видеоролики, созданные scourtheearth и Ladyada. Наконец, если у вас есть интересное зарядное устройство, которое вам не нужно, отправьте его мне, и, возможно, я опишу его подробный разбор.

Также смотрите комментарии к Hacker News.

Примечания и ссылки

[1] Вы можете задаться вопросом, почему напряжение постоянного тока внутри блока питания намного выше, чем напряжение в сети. Напряжение постоянного тока примерно в sqrt (2) раз больше напряжения переменного тока, поскольку диод заряжает конденсатор до пика сигнала переменного тока. Таким образом, входное напряжение от 100 до 240 вольт переменного тока преобразуется в постоянное напряжение от 145 до 345 вольт внутри. Этого недостаточно, чтобы официально считаться высоким напряжением, но для удобства я назову это высоким напряжением. Согласно стандартам, все, что ниже 50 В переменного тока или 120 В постоянного тока, считается сверхнизким напряжением и считается безопасным при нормальных условиях.Но для удобства я буду называть выход 5 В низким напряжением.

[2] В источнике питания Apple используется обратная схема, в которой трансформатор работает «в обратном направлении», чем вы могли ожидать. Когда в трансформатор подается импульс напряжения, выходной диод блокирует выход, поэтому выход отсутствует - вместо этого создается магнитное поле. Когда подача напряжения прекращается, магнитное поле разрушается, вызывая выход напряжения из трансформатора. Источники питания с обратной связью очень распространены для источников питания с малой мощностью.

[3] Размер первичной платы составляет около 22,5 мм на 20,0 мм, а вторичной платы - около 22,2 мм на 20,2 мм. [4] Для получения дополнительной информации о конденсаторах X и Y см. Презентацию Kemet и «Проектирование источников питания с низким током утечки».

[5] Для наглядности перед тем, как делать снимки в этой статье, была снята изоляция. Конденсатор Y был покрыт черной термоусадочной трубкой, сбоку цепи была обмотана лента, плавкий резистор был закрыт черной термоусадочной трубкой, а над USB-разъемом была черная изолирующая крышка.

[6] Демпфирующие цепи могут использоваться для уменьшения шума 60 Гц, создаваемого диодным мостом в источниках питания аудиосистемы. Подробный справочник по демпферам R-C для диодов источника питания аудиосигнала приведен в разделе «Расчет оптимальных демпферов», а образец конструкции - «Проект источника питания усилителя аудиосигнала».

[7] Источник питания управляется микросхемой контроллера квазирезонансного SMPS (импульсного источника питания) L6565 (техническое описание). (Разумеется, чип мог быть чем-то другим, но схема точно соответствует L6565 и никакому другому чипу, который я исследовал.)

Для повышения эффективности и уменьшения помех в микросхеме используется метод, известный как квазирезонанс, который впервые был разработан в 1980-х годах. Выходная цепь спроектирована таким образом, что при отключении питания напряжение трансформатора будет колебаться. Когда напряжение достигает нуля, транзистор снова включается. Это известно как переключение при нулевом напряжении, потому что транзистор переключается, когда на нем практически нет напряжения, что сводит к минимуму потери мощности и помехи во время переключения.Схема остается включенной в течение переменного времени (в зависимости от требуемой мощности), а затем снова выключается, повторяя процесс. (Для получения дополнительной информации см. Исследование квазирезонансных преобразователей для источников питания.)

Одним из интересных следствий квазирезонанса является то, что частота переключения меняется в зависимости от нагрузки (типичное значение составляет 70 кГц). В ранних источниках питания, таких как блок питания Apple II, для регулирования мощности использовались простые цепи переменной частоты. Но в 1980-х годах эти схемы были заменены микросхемами контроллеров, которые переключались с фиксированной частотой, но изменяли ширину импульсов (известную как ШИМ).Теперь усовершенствованные ИС контроллеров вернулись к регулированию частоты. Но, кроме того, в сверхдешевых подделках используются схемы переменной частоты, практически идентичные Apple II. Таким образом, и высокопроизводительные, и недорогие зарядные устройства теперь вернулись к переменной частоте.

Мне потребовалось много времени, чтобы понять, что маркировка «FLEX01» на микросхеме контроллера указывает на Flextronics, а X на микросхеме был от логотипа Flextronics: . Я предполагаю, что на чипе есть такая маркировка, потому что он производится для Flextronics.Маркировка «EB936» на микросхеме может быть собственным номером детали Flextronics или кодом даты.

[8] Я думал, что Flextronics - это просто сборщик электроники, и я был удивлен, узнав, что Flextronics делает много инновационных разработок и имеет буквально тысячи патентов. Я думаю, что Flextronics заслуживает большего признания за свои разработки. (Обратите внимание, что Flextronics - это другая компания, чем Foxconn, которая производит iPad и iPhone и вызывает разногласия по поводу условий работы).

Изображение выше взято из патента Flextronics 7,978,489: «Интегрированные преобразователи мощности» описывает адаптер, который выглядит так же, как зарядное устройство для iPhone.Сам патент представляет собой сумку из 63 различных пунктов формулы (пружинные контакты, экраны EMI, термоклейкий материал), большинство из которых фактически не имеют отношения к зарядному устройству iPhone.

[9] В патенте Flextronics 7 924 578: Квазирезонансная схема резервуара с двумя выводами описывает резонансную схему, используемую в зарядном устройстве iPhone, которая показана на следующей диаграмме. Транзистор Q2 приводит в действие трансформатор. Транзистор Q1 - это фиксирующий транзистор, который направляет скачок напряжения от трансформатора на резонансный конденсатор C13.Инновационная часть этой схемы заключается в том, что Q1 не требует специальной схемы управления, как другие схемы с активными фиксаторами; он питается от конденсаторов и диодов. В большинстве источников питания зарядных устройств, напротив, используется простой зажим резистор-конденсатор-диод, который рассеивает энергию в резисторе. [18]

Более поздние патенты Flextronics расширяют резонансный контур с помощью еще большего количества диодов и конденсаторов: см. Патенты 7 830 676, 7 760 519 и 8,000 112

[10] Apple указывает тип зарядного устройства с помощью запатентованной технологии сопротивлений на контактах USB D + и D-.Подробнее о протоколах зарядки USB см. В моих предыдущих ссылках.

[11] Одна загадочная особенность зарядного устройства Apple - вторая цепь обратной связи, отслеживающая температуру и выходное напряжение. Эта схема на вторичной плате состоит из термистора, второго регулятора 431 и нескольких других компонентов для контроля температуры и напряжения. Выход подключен через второй оптрон к другим схемам на другой стороне вторичной платы. Два транзистора подключены к SCR-подобной защелке лома, которая закорачивает вспомогательное питание, а также отключает микросхему контроллера.Эта схема кажется чрезмерно сложной для этой задачи, тем более, что многие микросхемы контроллеров имеют эту функцию. Я могу неправильно понять эту схему, потому что кажется, что Apple излишне занимала место и дорогие компоненты (возможно, стоимостью 25 центов), реализуя эту функцию в таких условиях. сложный способ.

[12] Обратите внимание на загадочную надпись «Для использования с оборудованием информационных технологий» на внешней стороне зарядного устройства. Это означает, что зарядное устройство соответствует стандарту безопасности UL 60950-1, который определяет различные требуемые изоляционные расстояния.Краткий обзор изоляционных расстояний см. В разделе «Разделение цепей i-Spec» и в некоторых из моих предыдущих ссылок.

[13] Некоторые примечания к используемым компонентам: На первичной плате корпус JS4 представляет собой два диода в одном корпусе. Входные диоды с маркировкой 1JLGE9 представляют собой диоды 1J 600V 1A. Коммутационные транзисторы представляют собой N-канальные полевые МОП-транзисторы 1HNK60, 600 В, 1 А. Значения многих резисторов и конденсаторов указываются с помощью стандартной трехзначной маркировки SMD (две цифры, а затем мощность десять, что дает Ом или пикофарады).

На вторичной плате конденсатор «330 j90» представляет собой танталовый полимерный конденсатор Sanyo POSCAP 300 мФ 6,3 В (j означает 6,3 В, а 90 - это код даты). 1R5 указывает на индуктивность 1,5 мкГн. GB9 - это прецизионный шунтирующий регулятор с низким катодным током AS431I, регулируемый по низкому катодному току, а 431 - это обычный регулятор TL431. SCD34 - это выпрямитель Шоттки на 3 А, 40 В. YCW - это неопознанный транзистор NPN, а GYW - неопознанный транзистор PNP. Конденсатор Y с маркировкой «MC B221K X1 400V Y1 250V» представляет собой Y-конденсатор 220 пФ.Конденсатор «107A» представляет собой танталовый конденсатор емкостью 100 мкФ 10 В (A означает 10 В). Оптопары PS2801-1. (Все эти обозначения компонентов следует рассматривать как предварительные, наряду со схемой.)

[14] Чтобы получить приблизительное представление о том, сколько стоят компоненты в зарядном устройстве, я посмотрел цены на некоторые компоненты на сайте octopart.com. Эти цены - лучшие цены, которые я смог найти после краткого поиска, в количестве 1000 штук, пытаясь точно сопоставить детали. Я должен предположить, что цены Apple значительно лучше этих цен.

Компонент Цена
0402 Резистор SMD $ 0,002
0805 Конденсатор SMD $ 0,007
Транзистор SMD $ 0,02
плавкий резистор 1A 600V (1J) диод $ 0,06
термистор $ 0,07
Y конденсатор $ 0,08
3.Электролитический конденсатор 3 мкФ, 400 В $ 0,10
TL431 $ 0,10
Индуктор 1,5 мкГн $ 0,12
SCD 34 диод $ 0,13
2801 оптопара $ 0,15 K оптрон 60 $ 0,15 0,22 долл. США
Разъем USB 0,33 долл. США
Танталовый конденсатор 100 мкФ 0,34 долл. США
L6565 IC 0 долл. США.55
Танталовый полимерный конденсатор 330 мкФ
(Sanyo POSCAP)
$ 0,98
Обратный трансформатор $ 1,36

Несколько заметок. Подходящие трансформаторы обычно изготавливаются по индивидуальному заказу, и цены везде разные, поэтому я не очень уверен в этой цене. Я думаю, что цена POSCAP высока, потому что я искал точного производителя, но танталовые конденсаторы в целом довольно дороги. Удивительно, насколько дешевы резисторы и конденсаторы SMD: доли копейки.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *