Источники питания

Схема китайской зарядки на три выхода. Зарядка телефона схемы

я указывал, что для питания портативных микроконтроллерных устройств удобно использовать зарядные устройства от мобилок. Их продают, особенно битые, по гривне за ведро на блошиных рынках и не только. В этой статье я расскажу об модернизации одного из таких зарядных устройств. Предназначалось оно для телефонов «Siemens», по крайнем мере так гласила надпись на его корпусе и зарядная розетка была «сименсовской» конфигурации. Ну, да это не важно — можно было бы с таким же успехом наклеить «Motorolla» или «Nokia», прилепить соответствующий разъём и вперёд. Отдал мне её знакомый, причём заявил, что зарядка рабочая, просто он телефон обновил, а зарядка осталась неудел. Ну да речь не об том, и вам уже порядком поди надоела прелюдия. Прошу меня великодушно простить, милый читатель, хочется, чтобы вы представили начальные условия…
Так вот, решил я использовать описываемую вещь в качестве источника питания для бытового квартирного измерителя потребляемой мощности/входного напряжения, устанавливаемого на DIN-рейку. Т.е. понятно, что геометрические размеры сей железяки весьма скромные, а плата зарядки имеет 4,5 см х 2 см, что очень подходит для задуманной конструкции. Перво-наперво измерил мультиметром, что же эта зарядка выдаёт. Выдала она на ХХ около 7 в, но напруга как-то нереально «гуляла». Не вопрос, подключаю осциллограф и наблюдаю очень страшное кино. Смотрим вместе.
Это какие-то всплески генерации:
А это «всплеск» растянутый во времени.
Засинронизировать его не вышло — постоянный срыв 🙁
Ужо-о-о-с!!! А ведь (я неспроста упомянул в начале статьи) бывший хозяин заряжал этой «зарядкой» аккумулятор своего Сименса. Бедный аккумулятор… Для правильного определения дальнейшей судьбы препарируемого устройства я совершил подвиг — восстановил принципиальную схему по плате. Сие действо я ОЧЕНЬ не люблю, хотя приходится упражняться часто… В итоге моему взору предстала распространённая схема построения зарядного устройства на основе блокинг-генератора, НО!!! с двумя недостатками.

Первый — отсутствие фильтрующего конденсатора в однополупериодном сетевом выпрямителе, т.е. зарядка питается полуволнами. Второй — нет демпфера в коллекторной цепи ключевого транзистора 13001-серии, что очень плохо. Стало понятно страшное кино: в моменты положительного полупериода сети, когда напряжение половинки синусоиды достигает значения достаточное для запуска блокинг-процесса, оный и пытается установится. Но обратные выбросы первички W1 импульсного трансформатора давят этот процесс, в итоге имеем вышеуказанную осциллограмму маслом.
С помощью паяльника и матюков я запихал недостающие элементы (обозначены вверху схемы, точки подключения обозначены римскими цифрами, R4 — убрать) на плату зарядного устройства.

Первое же включение в сеть ознаменовалось стабильным запуском и устойчивой генерацией импульсов.

Далее решил исследовать нагрузочные характеристики моего подопытного. В качестве нагрузки повесил попавшуюся под руку лампочку и 20-ти омный проволочный переменник включенный реостатом.

Сразу скажу, что надпись на лейбле 3,7 В 650 мА, говорит о хорошем чувстве юмора у производителя этой балалайки. Больше 300 мА нагружать не стОит. Напруга при этом падает до 6,2 В. Хотя предполагаю, что из последних сил зарядка вытащит полампера, но напряжение упадёт до двух-трёх вольт и это будут её последние вольты. Пять минут под нагрузкой 350 мА нагрели бедный трансформатор до температуры больше 65 градусов, т.к. палец удержать на нём было невозможно, и температура продолжала расти, что чётко фиксировалось обонянием. Напряжение упало до 5 В, и это при том, что 1N4007 выпрямителя вторичной цепи я заменил на Шоттки SR108. Штатный электролит 100 мкФ также явно слабоват, о чём свидетельствуют дикие пульсации.

Оба типа литий-ионных элементов обычно имеют пороговый допуск напряжения ± 05В. Новые типы литий-ионных элементов могут иметь пороговые напряжения и отклонения, отличные от пороговых значений для кокосового и графитового электродных ячеек. Как только пороговое напряжение достигнуто, зарядка переходит в режим постоянного напряжения, когда аккумулятор заряжается на пороговом напряжении или вблизи него, но со временем ток постепенно уменьшается. Для прекращения цикла зарядки можно использовать различные методы прекращения заряда.

Однако вместо перехода в режим постоянного напряжения, когда напряжение батареи достигает порогового напряжения 205, зарядное устройство обеспечивает последовательность импульсов постоянного тока. Обратите внимание, что порог напряжения 205 может быть порогом напряжения, указанным изготовителем, или значением напряжения ниже установленного порогового значения напряжения изготовителя. Применение импульсов зарядки начинается после того, как напряжение аккумуляторной батареи падает до или ниже порогового напряжения.

Большинство современных сетевых зарядных устройств собрано по простейшей импульсной схеме, на одном высоковольтном транзисторе (рис. 1.18) по схеме блокинг-генератора.

В отличие от более простых схем на понижающем 50-герцевом трансформаторе, трансформатор у импульсных преобразователей той же мощности гораздо меньше по размерам, а значит, меньше размеры, вес и цена всего преобразователя. Кроме того, импульсные преобразователи более безопасны – если у обычного преобразователя при выходе из строя силовых элементов в нагрузку попадает высокое нестабилизированное (а иногда и вообще переменное) напряжение со вторичной обмотки трансформатора, то при любой неисправности импульсника (кроме выхода из строя оптрона обратной связи – но его обычно очень хорошо защищают) на выходе вообще не будет никакого напряжения.

Как показано, каждый импульс 220 имеет постоянную длительность. В качестве альтернативы, системы импульсной зарядки начинают применять постоянный ток, а затем запускайте таймер, когда напряжение батареи соответствует или просто превышает пороговое напряжение. Когда таймер достигает заданного отсчета, импульс тока отключается. В любом случае длина импульса выбирается так, чтобы напряжение батареи не превышают известного допуска порогового напряжения или, по крайней мере, не превышают порогового значения слишком большого периода.

Как только напряжение батареи падает назад или ниже порогового напряжения, процесс повторяется. По мере того, как начинается зарядка, время, необходимое для того, чтобы напряжение батареи возвращалось к пороговому напряжению или ниже, увеличивается. Следовательно, время между импульсами тока, такими как периоды времени 230 и 240, увеличивается. Изначально времена «выключения», такие как 230 и 240, коротки, порядка 1 мс, но по мере увеличения заряда батареи время «выключения» может увеличиваться до десятков секунд, минут и, в конечном счете, часов.

Рис. 1.18. Простая импульсная схема блокинг-генератора

Описание принципа действия и расчета элементов схемы высоковольтного импульсного преобразователя (трансформатор, конденсаторы и прочее) можно прочитать по ссылке http://www.nxp.com/ acrobat/applicationnotes/AN00055.pdf (1 Мб).

Принцип работы устройства

Переменное сетевое напряжение выпрямляется диодом VD1 (хотя иногда щедрые китайцы ставят целых 4 диода, по мостовой схеме), импульс тока при включении ограничивается резистором R1. Здесь желательно поставить резистор мощностью 0,25 Вт – тогда при перегрузке он сгорит, выполнив функцию предохранителя.

Как отмечено выше, по меньшей мере в одной схеме зарядки импульсов синхронизация импульса начинается только после того, как напряжение батареи соответствует или превышает пороговое напряжение. Однако применение постоянного импульса тока на том же уровне тока, который используется при зарядке постоянным током, может привести к тому, что напряжение батареи слишком быстро достигнет порогового напряжения или будет увеличиваться, то есть кратковременно увеличится за пороговое напряжение, а затем вернется обратно или ниже порогового напряжения.

Преобразователь собран на транзисторе VT1 по классической обратноходовой схеме. Резистор R2 нужен для запуска генерации при подаче питания, в этой схеме он необязателен, но с ним преобразователь работает чуть стабильнее. Генерация поддерживается благодаря конденсатору С1, включенному в цепь ПОС на обмотке И, частота генерации зависит от его емкости и параметров трансформатора. При отпирании транзистора напряжение на нижних по схеме выводах обмоток I и II отрицательное, на верхних – положительное, положительная полуволна через конденсатор С1 еще сильнее открывает транзистор, амплитуда напряжения в обмотках возрастает.

Такой всплеск может быть вызван, например, изменением внутреннего импеданса элементов батареи. Однако в любом случае импульсный таймер запускается раньше, чем требуется, тем самым продлевая общее время зарядки. Соответственно, желательно уменьшить общее время заряда для перезаряжаемой батареи и увеличить длительность периодов времени, когда импульсы тока включены в систему импульсной зарядки. Кроме того, желательно достичь этих целей, продолжая при этом адекватную защиту аккумуляторной батареи и эффективно ее работая.

Было обнаружено, что после последовательности постоянного тока схемы зарядки аккумуляторных батарей с повторными токовыми импульсами, имеющими более низкое значение тока, чем значение тока постоянного тока, по меньшей мере, в течение части периода импульса, может увеличить количество время, прошедшее до того, как напряжение аккумуляторной батареи достигнет порогового напряжения или превысит его, тем самым уменьшив общее время зарядки для перезаряжаемой батареи. Для уменьшения общего времени заряда для перезаряжаемой батареи можно использовать различные формы импульсов тока, включая, например, нарастающий импульс, который начинается с низкого уровня тока и увеличивается в течение некоторого или всего периода импульса, а постоянный ток импульс, уровень тока которого снижается от уровня постоянной составляющей схемы зарядки аккумуляторной батареи на определенную величину.

Транзистор лавинообразно открывается. Через некоторое время, по мере заряда конденсатора С1, базовый ток начинает уменьшаться, транзистор начинает закрываться, напряжение на верхнем по схеме выводе обмотки II начинает уменьшаться, через конденсатор С1 базовый ток еще сильнее уменьшается, и транзистор лавинообразно закрывается. Резистор R3 необходим для ограничения базового тока при перегрузках схемы и выбросах в сети переменного тока.

Указанный объем восстановления может быть, например, фиксированным процентом от текущего уровня постоянной составляющей схемы зарядки аккумуляторной батареи или может быть основан на параметрах заряжаемой батареи. Соответственно, один аспект настоящего изобретения предусматривает способ зарядки перезаряжаемой батареи. Первый ток подается на аккумуляторную батарею до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не достигнет порогового напряжения. Второй ток подается на батарею, второй ток меньше первого тока.

Таймер запускается, когда напряжение аккумуляторной батареи достигает порогового напряжения. Второй ток прекращается, когда таймер указывает, что истек предопределенный период времени. В другом аспекте изобретения зарядное устройство для батареи включает в себя контроллер и регулируемый зарядный блок, соединенный с контроллером и способный принимать по меньшей мере один управляющий сигнал от контроллера. Регулируемый зарядный блок работает, в зависимости от сигнала управления, для обеспечения первого тока к перезаряжаемой батарее до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не достигнет порогового напряжения и не обеспечит второй ток для батареи, второй ток будет меньше, чем первый ток.

В это же время амплитудой ЭДС самоиндукции через диод VD4 подзаряжается конденсатор СЗ – поэтому преобразователь и называется обратноходовым. Если поменять местами выводы обмотки III и подзаряжать конденсатор СЗ во время прямого хода, то резко возрастет нагрузка на транзистор VT1 во время прямого хода (он может даже сгореть из-за слишком большого тока), а во время обратного хода ЭДС самоиндукции окажется нерастраченной и выделится на коллекторном переходе транзистора – то есть он может сгореть от перенапряжения.

Кроме того, регулируемый зарядный блок способен прекратить второй ток после истечения заданного периода времени после того, как перезаряжаемая батарея достигнет порогового напряжения. В еще одном аспекте изобретения компьютерная система включает в себя процессор, память, связанную с процессором, и зарядное устройство для батареи. Зарядное устройство содержит контроллер и регулируемый зарядный блок, соединенный с контроллером и способный принимать по меньшей мере один управляющий сигнал от контроллера.

Еще один аспект настоящего изобретения предусматривает способ зарядки перезаряжаемой батареи. Первый ток подается на перезаряжаемую батарею до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не достигнет порогового напряжения. Множество импульсов тока подается на перезаряжаемую батарею, причем одни из множества токовых импульсов разделяются, соответственно, во времени множеством периодов без заряда, когда по существу на аккумулятор не подается ток. По меньшей мере один из множества импульсов тока определяется профилем импульсов тока, представляющим применение тока в течение периода, по меньшей мере, одного из множества импульсов тока, причем профиль импульса включает в себя, по меньшей мере, один уровень тока, меньший, чем у первый ток.

Поэтому при изготовлении устройства нужно строго соблюдать фазировку всех обмоток (если перепутать выводы обмотки II – генератор просто не запустится, так как конденсатор С1 будет, наоборот, срывать генерацию и стабилизировать схему).

Выходное напряжение устройства зависит от количества витков в обмотках II и III и от напряжения стабилизации стабилитрона VD3. Выходное напряжение равно напряжению стабилизации только в том случае, если количество витков в обмотках II и III одинаковое, в противном случае оно будет другое. Во время обратного хода конденсатор С2 подзаряжается через диод VD2, как только он зарядится до примерно -5 В, стабилитрон начнет пропускать ток, отрицательное напряжение на базе транзистора VT1 чуть уменьшит амплитуду импульсов на коллекторе, и выходное напряжение стабилизируется на некотором уровне. Точность стабилизации у этой схемы не очень высока – выходное напряжение гуляет в пределах 15…25% в зависимости от тока нагрузки и качества стабилитрона VD3.

В другом аспекте изобретения зарядное устройство для батареи включает в себя средство для управления зарядным устройством аккумулятора и средство зарядки, соединенное с средством управления. Средство зарядки обеспечивает первый ток для перезаряжаемой батареи до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не достигнет порогового напряжения. Средство зарядки также обеспечивает второй ток для батареи, второй ток меньше, чем первый ток. Зарядное устройство прекращает второй ток после истечения заданного периода времени после того, как перезаряжаемая батарея достигает порогового напряжения.

Альтернативный вариант устройства

Схема более качественного (и более сложного) преобразователя показана на рис. 1.19.

Для выпрямления входного напряжения используются диодный мостик VD1 и конденсатор С1, резистор R1 должен быть мощностью не менее 0,5 Вт, иначе в момент включения, при зарядке конденсатора С1, он может сгореть. Емкость конденсатора С1, в микрофарадах, должна равняться мощности устройства, в ваттах.

Кроме того, средство зарядки способно принимать по меньшей мере один управляющий сигнал от средства управления зарядным устройством. Настоящее изобретение может быть лучше понято и его многочисленные объекты, признаки и преимущества, очевидные для специалистов в данной области, путем ссылки на прилагаемые чертежи.

Для удобства кривые, представляющие напряжения батареи для каждой схемы зарядки, не показаны. Как только напряжение аккумуляторной батареи падает до или ниже порогового напряжения, импульс 310 тока подается на перезаряжаемую батарею. Как показано, начальный уровень тока токового импульса 310 и всех других показанных импульсов тока ниже, чем уровень тока, приложенный в течение части постоянного тока. Приведенный ток постепенно нарастает до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не будет соответствовать или не превысит значение порогового напряжения или до тех пор, пока уровень приложенного тока не достигнет или не превысит определенный предел тока.

Сам преобразователь собран по уже знакомой схеме на транзисторе VT1. В цепь эмиттера включен датчик тока на резисторе R4 –

Рис. 1.19. Электрическая схема более сложного преобразователя

как только протекающий через транзистор ток станет столь большим, что падение напряжения на резисторе превысит 1,5 В (при указанном на схеме сопротивлении – 75 мА), через диод VD3 приоткроется транзистор VT2 и ограничит базовый ток транзистора VT1 так, чтобы его коллекторный ток не превышал указанные выше 75 мА. Несмотря на свою простоту, такая схема защиты довольно эффективна, и преобразователь получается практически вечный даже при коротких замыканиях в нагрузке.

В первом случае таймер начинает измерять заданный период, в течение которого напряжение перезаряжаемой батареи может превышать пороговое значение напряжения, а в конце этого периода ток прекращается. В последнем случае зарядка продолжается на пределе тока до тех пор, пока не будет достигнуто превышение порогового значения напряжения и не истечет таймер.

Текущий импульс 320 иллюстрирует ситуацию, когда импульс тока запускается на том же уровне тока, что и импульс 310 тока, но из-за состояния заряда перезаряжаемой батареи аккумуляторная батарея достигает порога напряжения раньше, чем в примере импульса. Кроме того, импульс 330 тока является примером импульса тока, применяемого, когда зарядное состояние перезаряжаемой батареи таково, что аккумуляторная батарея достигает порогового значения почти сразу после начала импульса тока. Обратите также внимание, как видно на этапе 340, что в качестве перезаряжаемого аккумулятора батарея становится более заряженной, количество времени, требуемое для того, чтобы напряжение батареи уменьшалось до или ниже порогового напряжения, увеличивается.

Для защиты транзистора VT1 от выбросов ЭДС самоиндукции в. схему добавлена сглаживающая цепочка VD4-C5-R6. Диод VD4 обязательно должен быть высокочастотным – идеально BYV26C, чуть хуже – UF4004…UF4007 или 1N4936, 1N4937. Если нет таких диодов – цепочку вообще лучше не ставить!

Конденсатор С5 может быть любым, однако он должен выдерживать напряжение 250…350 В. Такую цепочку можно ставить во все аналогичные схемы (если ее там нет), в том числе и в схему по рис. 1.18 – она заметно уменьшит нагрев корпуса ключевого транзистора и значительно «продлит жизнь» всему преобразователю.

Несмотря на то, что иллюстрируется постоянно увеличивающийся ток переключения, могут использоваться различные схемы линейного изменения, такие как схемы, которые напрямую зависят по параметрам батареи. Эти схемы линейного изменения должны быть рассчитаны на продление периода во время импульса, когда напряжение аккумуляторной батареи ниже пороговое напряжение, но все же обеспечивает достаточный ток для эффективной зарядки.

Когда напряжение аккумуляторной батареи достигает порогового напряжения, зарядки сдвигаются до серии импульсов тока, таких как импульсы тока 360, а так как напряжение аккумуляторной батареи падает до или ниже порогового напряжения, то импульс 360 тока подается на перезаряжаемую батарею, Как показано, начальный уровень тока импульса 360 тока ниже, чем уровень тока, применяемый во время участка постоянного тока. Следовательно, после того, как каждый импульс тока прекращается, поскольку напряжение перезаряжаемой батареи превышает пороговое напряжение в течение заданного периода времени, напряжение батареи позволяет расслабиться, а следующий импульс тока имеет более низкий уровень тока, чтобы продлить период во время импульса, когда напряжение аккумуляторной батареи ниже порогового напряжения, но все же обеспечивает достаточный ток для эффективной зарядки, Обратите также внимание на то, что, как видно на этапе 380, когда перезаряжаемая батарея становится более заряженной, увеличивается время, требуемое для того, чтобы напряжение батареи уменьшалось до или ниже порогового напряжения.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью стабилитрона DA1, стоящего на выходе устройства, гальваническая развязка обеспечивается оптроном VOl. Микросхему TL431 можно заменить любым маломощным стабилитроном, выходное напряжение равно его напряжению стабилизации плюс 1,5 В (падение напряжения на светодиоде оптрона VOl); для защиты светодиода от перегрузок добавлен резистор R8 небольшого сопротивления. Как только выходное напряжение станет чуть выше положенного, через стабилитрон потечет ток, светодиод оптрона VOl начнет светиться, его фототранзистор приоткроется, положительное напряжение с конденсатора С4 приоткроет транзистор VT2, который уменьшит амплитуду коллекторного тока транзистора VT1. Нестабильность выходного напряжения у этой схемы меньше, чем у предыдущей, и не превышает 10…20%, также благодаря конденсатору С1 на выходе преобразователя практически отсутствует фон 50 Гц.

Трансформатор в этих схемах лучше использовать промышленный, от любого аналогичного устройства. Но его можно намотать и самому – для выходной мощности 5 Вт (1 А, 5 В) первичная обмотка должна содержать примерно 300 витков проводом диаметром 0,15 мм, обмотка II – 30 витков тем же проводом, обмотка III – 20 витков проводом диаметром 0,65 мм. Обмотку III нужно очень хорошо изолировать от двух первых, желательно намотать ее в отдельной секции (если есть). Сердечник – стандартный для таких трансформаторов, с диэлектрическим зазором 0,1 мм. В крайнем случае можно использовать кольцо внешним диаметром примерно 20 мм.