Что внутри зарядного устройства
Схема зарядного устройства телефона
Количество мобильных средств связи, находящихся в активном пользовании, постоянно растет. К каждому из них идет зарядное устройство, поставляемое в комплекте. Однако далеко не все изделия выдерживают сроки, установленные производителями. Основные причины заключаются в низком качестве электрических сетей и самих устройств. Они часто ломаются и не всегда возможно быстро приобрести замену. В таких случаях требуется схема зарядного устройства для телефона, используя которую вполне возможно отремонтировать неисправный прибор или изготовить новый своими руками.
Основные неисправности зарядных устройств
Зарядное устройство считается наиболее слабым звеном, которым укомплектованы мобильные телефоны. Они часто выходят из строя из-за некачественных деталей, нестабильного сетевого напряжения или в результате обычных механических повреждений.
Наиболее простым и оптимальным вариантом считается приобретение нового прибора. Несмотря на различие производителей, общие схемы очень похожи друг на друга. По своей сути, это стандартный блокинг-генератор, выпрямляющий ток с помощью трансформатора. Зарядники могут отличаться конфигурацией разъема, у них могут быть разные схемы входных сетевых выпрямителей, выполненные в мостовом или однополупериодном варианте. Существуют различия в мелочах, не имеющих решающего значения.
Как показывает практика, основными неисправностями ЗУ являются следующие:
Практически все корпуса зарядных устройств являются неразборными. Поэтому во многих случаях ремонт становится нецелесообразным и неэффективным. Гораздо проще воспользоваться готовым источником постоянного тока, подключив его к нужному кабелю и дополнив недостающими элементами.
Простая электронная схема
Основой многих современных зарядных устройств служат наиболее простые импульсные схемы блокинг-генераторов, содержащие всего лишь один высоковольтный транзистор. Они отличаются компактными размерами и способны выдавать требуемую мощность. Эти устройства совершенно безопасны в эксплуатации, поскольку любая неисправность ведет к полному отсутствию напряжения на выходе. Таким образом, исключается попадание в нагрузку высокого нестабилизированного напряжения.
Выпрямление переменного напряжения сети осуществляется диодом VD1. Некоторые схемы включают в себя целый диодный мост из 4-х элементов. Ограничение импульса тока в момент включения производится резистором R1, мощностью 0,25 Вт. В случае перегрузки он просто сгорает, предохраняя всю схему от выхода из строя.
Для сборки преобразователя используется обычная обратноходовая схема на основе транзистора VT1. Более стабильная работа обеспечивается резистором R2, запускающим генерацию в момент подачи питания. Дополнительная поддержка генерации происходит за счет конденсатора С1. Резистор R3 ограничивает базовый ток во время перегрузок и перепадов в сети.
Схема повышенной надежности
В данном случае входное напряжение выпрямляется за счет использования диодного моста VD1, конденсатора С1 и резистора, мощностью не ниже 0,5 Вт. В противном случае во время зарядки конденсатора при включении устройства, он может сгореть.
Конденсатор С1 должен обладать емкостью в микрофарадах, равной показателю мощности всего зарядника в ваттах. Основная схема преобразователя такая же, как и в предыдущем варианте, с транзистором VT1. Для ограничения тока используется эмиттер с датчиком тока на основе резистора R4, диода VD3 и транзистора VT2.
Данная схема зарядного устройства телефона ненамного сложнее предыдущей, но значительно эффективнее. Преобразователь может стабильно работать без каких-либо ограничений, несмотря на короткие замыкания и нагрузки. Транзистор VT1 защищен от выбросов ЭДС самоиндукции специальной цепочкой, состоящей из элементов VD4, C5, R6.
Необходимо ставить только высокочастотный диод, иначе схема вообще не будет работать. Данная цепочка может устанавливаться в любых аналогичных схемах. За счет нее корпус ключевого транзистора нагревается гораздо меньше, а срок службы всего преобразователя существенно увеличивается.
Выходное напряжение стабилизируется специальным элементом – стабилитроном DA1, установленным на выходе зарядки. Для гальванической развязки задействован оптрон V01.
Ремонт зарядника своими руками
После разборки осуществляется визуальный осмотр платы с целью обнаружения дефектов. Чаще всего неисправные места отмечены следами от сгорания резисторов, а сама плата в этих точках будет более темной. На механические повреждения указывают трещины на корпусе и даже на самой плате, а также отогнутые контакты. Вполне достаточно загнуть их на свое место в сторону платы, чтобы возобновить поступление сетевого напряжения.
Нередко шнур на выходе устройства оказывается оборванным. Разрывы возникают чаще всего возле основания или непосредственно у штекера. Дефект выявляется путем прозвонки проводов и замеров сопротивления.
Если видимые повреждения отсутствуют, транзистор выпаивается и прозванивается. Вместо неисправного элемента подойдут детали от сгоревших энергосберегающих ламп. Все остальные делали – резисторы, диоды и конденсаторы – проверяются таким же образом и при необходимости меняются на исправные.
Как устроены и работают зарядные устройства для аккумуляторов
Аккумуляторами в электротехнике приято называть химические источники тока, которые могут пополнять, восстанавливать израсходованную энергию за счет приложения внешнего электрического поля.
Устройства, которыми подают электроэнергию на пластины аккумулятора, называют зарядными: они приводят источник тока в рабочее состояние, заряжают его. Чтобы правильно эксплуатировать АКБ, необходимо представлять принципы их работы и зарядного устройства.
Содержание статьи
Как работает аккумулятор
Химический рециркулируемый источник тока при эксплуатации может:
1. питать подключенную нагрузку, например, лампочку, двигатель, мобильный телефон и другие приборы, расходуя свой запас электрической энергии;
2. потреблять подключенную к нему внешнюю электроэнергию, расходуя ее на восстановление резерва своей емкости.
В первом случае аккумулятор разряжается, а во втором — получает заряд. Существует много конструкций аккумуляторов, но, принципы работы у них общие. Разберем этот вопрос на примере никель-кадмиевых пластин, помещенных в раствор электролита.
Разряд аккумулятора
Одновременно работают две электрические цепочки:
1. внешняя, приложенная на выходные клеммы;
При разряде на лампочку во внешней приложенной схеме из проводов и нити накала протекает ток, образованный движением электронов в металлах, а во внутренней части — перемещаются анионы и катионы через электролит.
Окислы никеля с добавлением графита составляют основу положительно заряженной пластины, а губчатый кадмий используется на отрицательном электроде.
При разряде аккумулятора часть активного кислорода окислов никеля перемещается в электролит и движется на пластину с кадмием, где окисляет его, снижая общую емкость.
Заряд аккумулятора
Нагрузку с выходных клемм для зарядки чаще всего снимают, хотя на практике используется метод при подключенной нагрузке, как на аккумуляторе движущегося автомобиля или поставленного на зарядку мобильного телефона, по которому ведется разговор.
На клеммы аккумулятора подводится напряжение от постороннего источника более высокой мощности. Оно имеет вид постоянной или сглаженной, пульсирующей формы, превышает разность потенциалов между электродами, однополярно с ними направлено.
Эта энергия заставляет течь ток во внутренней цепочке аккумулятора в направлении, противоположном разряду, когда частицы активного кислорода «выдавливаются» из губчатого кадмия и через электролит поступают на свое прежнее место. За счет этого происходит восстановление израсходованной емкости.
Во время заряда и разряда изменяется химический состав пластин, а электролит служит передаточной средой для прохождения анионов и катионов. Интенсивность проходящего во внутренней цепи электрического тока влияет на скорость восстановления свойств пластин при заряде и быстроту разряда.
Ускоренное протекание процессов ведет к бурному выделению газов, излишнему нагреву, способному деформировать конструкцию пластин, нарушить их механическое состояние.
Слишком маленькие токи при зарядке значительно удлиняют время восстановления израсходованной емкости. При частом применении замедленного заряда повышается сульфатация пластин, снижается емкость. Поэтому приложенную к аккумулятору нагрузку и мощность зарядного устройства всегда учитывают для создания оптимального режима.
Как работает зарядное устройство
Современный ассортимент аккумуляторов доволен обширен. Для каждой модели подбираются оптимальные технологии, которые могут не подойти, быть вредными для других. Производители электронного и электротехнического оборудования опытным путем исследуют условия работы химических источников тока и создают под них собственные изделия, отличающиеся внешним видом, конструкцией, выходными электрическими характеристиками.
Зарядные конструкции для мобильных электронных приборов
Габариты зарядных устройств для мобильных изделий разной мощности значительно отличаются друг от друга. Они создают специальные условия работы каждой модели.
Даже для однотипных аккумуляторов типоразмеров АА или ААА разной емкости рекомендуется использовать свое время зарядки, зависящее от емкости и характеристик источника тока. Его величины указываются в сопроводительной технической документации.
Определенная часть зарядных устройств и аккумуляторов для мобильников снабжаются автоматической защитой, отключающей питание по завершении процесса. Но, контроль за их работой все же следует осуществлять визуально.
Зарядные конструкции для автомобильных АКБ
Особенно точно соблюдать технологию зарядки следует при эксплуатации автомобильных аккумуляторов, призванных работать в сложных условиях. Например, зимой в мороз с их помощью необходимо раскрутить через промежуточный электродвигатель — стартер холодный ротор двигателя внутреннего сгорания с загустевшей смазкой.
Разряженные либо неправильно подготовленные аккумуляторы с этой задачей обычно не справляются.
Эмпирическими методами выявлена взаимосвязь тока зарядки для свинцовых кислотных и щелочных аккумуляторов. Принято считать оптимальным значением заряда (амперы) в 0,1 величину емкости (амперчасы) для первого вида и 0,25 — для второго.
Например, АКБ имеет емкость 25 ампер часов. Если он кислотный, то его необходимо заряжать током 0,1∙25=2,5 А, а для щелочного — 0,25∙25=6,25 А. Чтобы создавать такие условия потребуется использовать разные приборы или применить один универсальный с большим количеством функций.
Современное зарядное устройство для кислотных свинцовых батарей должно поддерживать ряд задач:
контролировать и стабилизировать ток заряда;
учитывать температуру электролита и не допускать его нагрева более 45 градусов прекращением питания.
Возможность проведения контрольно-тренировочного цикла для кислотной батареи автомобиля с помощью зарядного устройства является необходимой функцией, включающей три этапа:
1. полный заряд аккумулятора до набора максимальной емкости;
2. десятичасовой разряд током 9÷10% от номинальной емкости (эмпирическая зависимость);
3. повторный заряд разряженного аккумулятора.
При проведении КТЦ контролируют изменение плотности электролита и время завершения второго этапа. По его величине судят о степени износа пластин, длительности оставшегося ресурса.
Зарядные устройства для щелочных батарей можно применять менее сложных конструкций, ибо такие источники тока не так чувствительны к режимам недостаточной зарядки и перезаряда.
График оптимального заряда кислотно-щелочных аккумуляторов для автомобилей показывает зависимость набора емкости от формы изменения тока во внутренней цепи.
В начале технологического процесса зарядки рекомендуется поддерживать ток на максимально допустимом значении, а затем снижать его величину до минимальной для окончательного завершения физико-химических реакций, осуществляющих восстановление емкости.
Даже в этом случае требуется контролировать температуру электролита, вводить поправки на окружающую среду.
Полное завершение цикла зарядки свинцовых кислотных аккумуляторов контролируют по:
восстановлению напряжения на каждой банке 2,5÷2,6 вольта;
достижению максимальной плотности электролита, которая перестает изменяться;
образованию бурного газовыделения, когда электролит начинает «закипать»;
достижению емкости батареи, превышающей на 15÷20% величины, отданной при разряде.
Формы токов зарядных устройств для аккумуляторов
Условие зарядки аккумулятора состоит в том, что на его пластины должно подводиться напряжение, создающее ток во внутренней цепи определенного направления. Он может:
1. иметь постоянную величину;
2. или изменяться во времени по определенному закону.
В первом случае физико-химические процессы внутренней цепи идут неизменно, а во втором — по предлагаемым алгоритмам с цикличным нарастанием и затуханием, создающим колебательные воздействия на анионы и катионы. Последний вариант технологии применяется для борьбы с сульфатацией пластин.
Часть временны́х зависимостей тока заряда иллюстрируется графиками.
На нижней правой картинке видно явное отличие формы выходного тока зарядного устройства, использующего тиристорное управление для ограничения момента открытия полупериода синусоиды. За счет этого регулируется нагрузка на электрическую схему.
Естественно, что многочисленные современные зарядные устройства могут создавать и другие формы токов, не показанные на этой диаграмме.
Принципы создания схем для зарядных устройств
Для питания оборудования зарядных устройств обычно используется однофазная сеть 220 вольт. Это напряжение преобразуется в безопасное пониженное, которое прикладывается на входные клеммы аккумулятора через различные электронные и полупроводниковые детали.
Существует три схемы преобразования промышленного синусоидального напряжения в зарядных устройствах за счет:
1. использования электромеханических трансформаторов напряжения, работающих по принципу электромагнитной индукции;
2. применения электронных трансформаторов;
3. без использования трансформаторных устройств, основанных на делителях напряжения.
Технически возможно инверторное преобразование напряжения, которое стало широко применяться для инверторных сварочных аппаратов, частотных преобразователей, осуществляющих управление электродвигателями. Но, для зарядки аккумуляторов это довольно дорогое оборудование.
Схемы зарядных устройств с трансформаторным разделением
Электромагнитный принцип передачи электрической энергии из первичной обмотки 220 вольт во вторичную полностью обеспечивает отделение потенциалов питающей цепи от потребляемой, исключает попадание ее на аккумулятор и повреждение при возникновении неисправностей изоляции. Этот метод наиболее безопасен.
Схемы силовых частей устройств с трансформатором имеют много разных разработок. На картинке ниже показаны три принципа создания разных токов силовой части от зарядных устройств за счет использования:
1. диодного моста со сглаживающим пульсации конденсатором;
2. диодного моста без сглаживания пульсаций;
3. одиночного диода, срезающего отрицательную полуволну.
Каждая из этих схем может применяться самостоятельно, но, обычно одна из них является основой, базой для создания другой, более удобной для эксплуатации и управления по величине выходного тока.
Применение комплектов силовых транзисторов с цепочками управления в верхней части картинки на схеме позволяет уменьшать выходное напряжение на контактах вывода цепи зарядного устройства, что обеспечивает регулировку величин постоянных токов, пропускаемых через подключенные аккумуляторы.
Один из вариантов подобной конструкции зарядного устройства с регулированием тока показан на рисунке ниже.
Такие же подключения во второй схеме позволяют регулировать амплитуду пульсаций, ограничивать ее на разных этапах зарядки.
Эффективно работает эта же средняя схема при замене в диодном мосту двух противоположных диодов тиристорами, одинаково регулирующими силу тока в каждом чередующемся полупериоде. А устранение отрицательных полугармоник возложено на оставшиеся силовые диоды.
Замена единичного диода на нижней картинке полупроводниковым тиристором с отдельной электронной схемой для управляющего электрода, позволяет уменьшать импульсы тока за счет более позднего их открытия, что тоже используется для различных способов зарядки аккумуляторов.
Один из вариантов подобной реализации схемы показан на рисунке ниже.
Сборка ее своими руками не составляет особого труда. Она может быть выполнена самостоятельно из доступных деталей, позволяет заряжать аккумуляторы токами до 10 ампер.
Промышленный вариант схемы трансформаторного зарядного устройства «Электрон-6» выполнен на базе двух тиристоров КУ-202Н. Для регулирования циклами открытия полугармоник для каждого управляющего электрода создана своя схема из нескольких транзисторов.
Среди автолюбителей пользуются популярностью устройства, позволяющие не только заряжать аккумуляторы, но еще и использовать энергию питающей сети 220 вольт для параллельного подключения ее к запуску двигателя автомобиля. Их называют пусковыми или пускозарядными. Они обладают еще более сложной электронной и силовой схемой.
Схемы с электронным трансформатором
Такие устройства выпускаются производителями для питания галогенных ламп напряжением 24 или 12 вольт. Они стоят относительно дёшево. Отдельные энтузиасты пытаются подключить их для зарядки маломощных аккумуляторов. Однако, эта технология широко не отработана, имеет существенные недостатки.
Схемы зарядных устройств без трансформаторного разделения
При последовательном подключении нескольких нагрузок к источнику тока общее напряжение входа делится по составным участкам. За счет этого способа работают делители, создающие понижение напряжения до определённой величины на рабочем элементе.
На этом принципе создаются многочисленные зарядные устройства с резистивно-емкостными сопротивлениями для маломощных аккумуляторов. Благодаря маленьким габаритам составных деталей их встраивают непосредственно внутрь фонарика.
Внутренняя электрическая схема полностью помещена в заводской изолированный корпус, исключающий контакт человека с потенциалом сети при зарядке.
Этот же принцип пытаются реализовать многочисленные экспериментаторы для зарядки автомобильных аккумуляторов, предлагая схему подключения от бытовой сети через конденсаторную сборку или лампочку накаливания мощностью в 150 ватт и силовой диод, пропускающий импульсы тока одной полярности.
Подобные конструкции можно встретить на сайтах мастеров «сделай сам», расхваливающих простоту схемы, дешевизну деталей, возможность восстановления емкости разряженного аккумулятора.
Но, они молчат о том, что:
открытая проводка 220 представляет опасность для жизни человека;
нить накала лампы под напряжением нагревается, меняет свое сопротивление по закону, неблагоприятному для прохождения оптимальных токов через аккумулятор.
При включении под нагрузку через холодную нить и всю последовательно подключенную цепочку проходят очень большие токи. Кроме того, завершать зарядку следует маленькими токами, что тоже не выполняется. Поэтому аккумулятор, подвергшийся нескольким сериям подобных циклов, быстро теряет свою емкость и работоспособность.
Наш совет: не пользуйтесь этим методом!
Зарядные устройства создаются для работы с определёнными типами аккумуляторов, учитывают их характеристики и условия восстановления емкости. При использовании универсальных, многофункциональных приборов следует выбирать тот режим заряда, который оптимально подходит конкретному аккумулятору.
Что внутри? Разбираем зарядное от MacBook
Задумывались ли вы, что находится внутри зарядного устройства MacBook? В компактном блоке питания значительно больше деталей чем можно было бы ожидать, включая даже микропроцессор. В данной статье мы с Вами сможем разобрать зарядное устройство MacBook, чтобы увидеть спрятанные внутри многочисленные компоненты и выяснить, как они взаимодействуют между собой для безопасной доставки столь необходимой электроэнергии к компьютеру.
Большая часть бытовой электроники, начиная от вашего смартфона и заканчивая телевизором, использует импульсный источники электропитания для преобразования переменного тока от розетки в стене до низковольтного постоянного тока, используемого электронными схемами. Импульсные источники питания или, более правильно говорить, низковольтные источники питания — получили свое название от того, что они включают и выключают подачу электроэнергии тысячи раз в секунду. Это является наиболее эффективным для преобразовании напряжения.
Основная альтернатива импульсному источнику электропитания — линейный источник питания, который намного более прост и преобразовывает перенапряжение в тепло. Из-за этой потери энергии, КПД линейного источника питания около 60%, по сравнению с примерно 85% у импульсного источника питания. Линейные источники питания используют громоздкий трансформатор, который может весить до килограмма и более, в то время как импульсные источники питания могут использовать крошечные высокочастотные трансформаторы.
Сейчас подобные источники питания очень дешевые, но так было не всегда. В 1950 году импульсные источники питания были сложными и дорогими, использовались в аэрокосмических и спутниковых технологиях, которые нуждались в легком и компактном источнике питания. К началу 70-х годов новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования позволили сделать источники значительно дешевле и они стали широко использоваться в компьютерах. Введение однокристальных контроллеров в 1976 году позволило сделать преобразователи электропитания еще проще, меньше и дешевле.
Применение компанией Apple импульсных источников питания началось с 1977 года, когда главный инженер Род Холт(Rod Holt) спроектировал импульсный источник питания для Apple II.
По словам Стива Джобса:
Этот импульсный источник питания был таким же революционным, как и логика Apple II. Род не получил большого признания на страницах истории, но он этого заслуживал. Каждый компьютер теперь использует импульсные источники питания и все они подобны по структуре, придуманной Холтом.
Это прекрасная цитата, но она не совсем верна. Революция источников электропитания произошла значительно раньше. Роберт Бошерт(Robert Boschert), начал продавать импульсные источники питания в 1974 году для всех и вся, от принтеров и компьютеров до истребителя F-14. Дизайн от Apple был подобен более ранним устройствам и другие компьютеры не использовали конструкцию Рода Холта. Тем не менее, в Apple широко используются импульсные источники питания и раздвигают границы дизайна зарядного устройство с компактным, стильным и передовыми зарядными устройствами.
Что внутри?
Для разбора было взято зарядное устройство Macbook 85W модель A1172, размеры которого достаточно малы, чтобы поместится на ладони. На рисунке ниже показаны несколько особенностей, которые могут помочь отличить оригинально зарядное устройство от подделок. Надкушенное яблоко на корпусе — это неотъемлемый атрибут (про что все знают), но есть деталь, не всегда привлекающая внимание. У оригинальных зарядных устройств непременно должен быть серийный номер, расположенный под контактом заземления.
С обратной стороны зарядного устройства можно увидеть печатную плату. Некоторые крошечные компоненты видимы, но большая часть схемы скрыта под металлическим радиаторы, скрепленным желтой изолентой.
Посмотрели на радиаторы и хватит. Чтобы увидеть все детали устройства, естественно нужно снять радиаторы. Под этими металическими частями скрыто значительно больше компонентов, чем можно было бы ожидать от небольшого блока.
На изображение ниже промаркированы основные компоненты зарядного устройства. Питания переменного тока поступает в зарядное устройство и уже там преобразовывается в постоянный ток. Схема PFC (Power Factor Correction — коррекция коэффициента мощности) повышает эффективность за счет обеспечения устойчивой нагрузки на линии переменного тока. В соответсвии с выполнимыми функциями, можно разделить плату на две части: высоковольтную и низковольтную. Высоковольтная часть платы вмести с размещенными на ней компонентами предназначена для понижения высоковольтного постоянного напряжения и передачи его к трансформатору. Низковольтная же часть получает постоянное низковольтное напряжение от трансформатора и выводить постоянное напряжение необходимого уровня к ноутбуку. Ниже мы рассмотрим эти схемы более подробно.
Вход переменного тока в зарядное устройство
Переменное напряжение поступает в зарядное устройство через съемный штекер сетевого кабеля. Большим преимуществом импульсных источников питания является их способность работать в широком диапазоне входящего напряжения. Просто поменяв вилку, зарядное устройство можно использовать в любом регионе мира, от европейских 240 вольт при 50 герц до северо-американских 120 вольт при частоте 60 герц. Конденсаторы, фильтры и индукторы на этапе входа препятствуют тому, чтобы интерференция вышла из зарядного устройства через линии питания. Мостовой выпрямитель содержит четыре диода, которые преобразовывают мощность переменного тока в постоянный ток.
Посмотрите это видео для более наглядной демонстрации того, как работает мостовой выпрямитель.
PFC: сглаживание энергопотребления
Следующим шагом в работе зарядного устройства является схема коррекции коэффициента мощности, помеченная фиолетовым цветом. Одна из проблем с простыми зарядными устройствами заключается в том, что они получают заряд только в небольшой части цикла переменного тока. Когда так делает одиночное устройство проблем особых нет, но когда их тысячи — это создает проблемы для энергетических компаний. Именно поэтому правила требуют, чтобы зарядные устройства использовали технику коррекции коэффициента мощности (они используют энергию более равномерно). Вы могли бы ожидать, что плохой коэффициент мощности вызван передачей коммутируемой мощности, которая быстро включается и выключается, но это не проблема. Проблема возникает из за нелинейного диодного моста, который заряжает входной конденсатор только при пиках сигнала переменного тока. Идея PFC состоит в том, чтобы использовать преобразователь повышения постоянного тока перед переключением электропитания. Таким образом, синусоида тока на выходе пропорциональна форме волны переменного тока.
Схема PFC использует силовой транзистор, чтобы точно крошить вход переменного тока в десятки тысяч раз в секунду. Вопреки ожиданиям это делает нагрузку на линии переменного тока более гладкой. Два наиболее крупных компонента в зарядном устройстве являются индуктор и PFC конденсатор, которые помогают повысить напряжение постоянного тока до 380 вольт. Зарядное устройство использует MC33368 чип для запуска PFC.
Первичное преобразование мощности
Высоковольтный контур является сердцем зарядного устройства. Он принимает высокое напряжение постоянного тока от схемы PFC, измельчает его и подает в трансформатор, чтобы генерировать выходной сигнал низкого напряжения зарядного устройства (16.5-18.5 вольт). Зарядное устройство использует усовершенствованный резонансный контроллер, который позволяет системе работать на очень высокой частоте до 500 килогерц. Более высокая частота позволяет использоваться более компактные компоненты внутри зарядного устройства. Показанная ниже микросхема управляет источником электропитания.
Контроллера SMPS — высоковольтный резонансный контроллер L6599; по какой-то причине маркирован DAP015D. Он использует полумостовую резонансную топологию; в полумостовой схеме два транзистора управляют питанием через преобразователь. Общие импульсные источники питания используют ШИМ (широтно-импульсная модуляция) контроллер, который корректирует время ввод. L6599 корректирует частоту импульса а не его импульса. Оба транзистора включаются поочередно в течение 50% времени. Когда частота увеличивается выше резонансной частоты, мощность падает, таким образом управление частотой регулирует напряжение на выходе.
Два транзистора поочередно включаются и выключаются, чтобы понизить входящее напряжение. Преобразователь и конденсатор резонируют в той же частоте, сглаживая прерванный ввод в синусоидальную волну.
Вторичное преобразование мощности
Вторая половина схемы генерирует вывод зарядного устройства. Она получает питание от преобразователя и с помощью диодов, преобразовывает его в постоянный ток. Фильтрующие конденсаторы сглаживают напряжение, которое поступает от зарядного устройства через кабель.
Наиболее важная роль низковольтные части зарядного устройства — сохранить опасное высокое напряжения внутри зарядного устройства, чтобы избежать потенциально опасного шока для конечного устройства. Изолирующий промежуток, отмеченная красным пунктиром на изображении, приведенном ранее, указывает на разделение между основной высоковольтной частью и низковольтной частью устройства. Обе стороны отделены друг от друга на расстоянии около 6 мм.
Трансформатор передает питание между основным и вторичным устройствами при помощи магнитных полей, вместо прямого электрического соединения. Проволоки в трансформатора имеет тройную изоляцию для безопасности. Дешевые зарядные устройства, как правило, скупы на изоляцию. Это создает угрозу безопасности. Опторазвязка использует внутренний луч света для передачи сигнала обратной связи между низковольтной и высоковольтной частями зарядного устройства. Микросхема управления в высоковольтной части устройства использует сигнал обратной связи для регулировки частоты переключения, чтобы сохранить напряжение на выходе стабильным.
Мощный микропроцессор внутри зарядного устройства
Неожиданный компонент зарядного устройства — это миниатюрная печатная плата с микроконтроллером, который можно увидеть на нашей схеме приведенной выше. Этот 16-разрядный процессор постоянно контролирует напряжение зарядного устройства и силу тока. Он включает передачу, когда зарядное устройство подсоединено к MacBook и отключает передачу, когда зарядное устройство разъединено. Отключение зарядного устройства происходит, если есть какая-либо проблема. Это микроконтроллер Texas Instruments MSP430 примерно такой же по мощности, как процессор внутри первого оригинального Macintosh. Процессор в зарядном устройстве — это микроконтроллер низкой мощности с 1 КБ флэш-памяти и всего 128 байтами RAM. Она включает в себя высокоточный 16-битный аналого-цифровой преобразователь.
68000 микропроцессор от оригинального Apple Macintosh и 430 микроконтроллеров в зарядном устройстве несопоставимы, поскольку у них различные конструкции и наборы инструкций. Но для грубого сравнения: 68000 представляет собой 16/32 битный процессор, работающий на частоте 7.8MHz, в то время как MSP430 — 16 битный процессор, работающий на частоте 16 МГц. MSP430 разработан для потребления низкой мощности и использует приблизительно 1% электропитания от 68000.
Позолоченные контактные площадки справа используются для программирования микросхемы во время производства. Зарядное устройство MacBook на 60 Вт использует процессор MSP430, но зарядное устройство на 85 Вт использует процессор общего назначения, который должен быть дополнительно прошит. Он запрограммирована с интерфейсом Spy-Bi-Wire, который является двухпроводным вариантом TI стандартного интерфейса JTAG. После программирования предохранитель безопасности в микросхеме уничтожается, чтобы препятствовать чтению или изменению встроенного микропрограммного обеспечения.
Трехконтактная микросхема слева (IC202) уменьшает 16.5 вольт зарядного устройства до 3.3 вольт, требуемых процессором. Напряжение на процессоре обеспечивается не стандартным регулятором напряжения, а с помощью LT1460, который выдает 3.3 вольта с исключительно высокой точностью 0.075%.
Множество крошечных компонентов на нижней стороне зарядного
Перевернув зарядное устройство на печатной плате, можно увидеть десятки крошечных компонентов. Чип контроллеров PFC и источника питания (SMPS) являются основными интегральными схемами, управляющими зарядным устройством. Микросхема источника опорного напряжения отвечает за сохранение стабильного напряжения даже при изменении температуры. Микросхема опорного источника напряжения, это — TSM103/A, который комбинирует два операционных усилителя и 2.5-вольтовую ссылку в однокристальной схеме. Свойства полупроводника значительно различаются в зависимости от температуры, таким образом сохранение стабильного напряжения не простая задача.
Эти микросхемы окружены крошечными резисторами, конденсаторами, диодами и прочими мелкими компонентами. МОП — транзистор вывода, включает и выключает питание на выходе в соответствии с указаниями микроконтроллера. Слева от него находятся резисторы, которые измеряют ток, передающийся ноутбуку.
Изолирующий промежуток (отмечена красным цветом) отделяет высокое напряжение от схемы вывода низкого напряжения для безопасности. Пунктирная красная линия показывает границу изоляции, которая отделяет сторону с низким напряжением от стороны с высоким напряжением. Оптроны посылают сигналы от низковольтной стороны до основного устройства, отключая зарядное, если есть неполадки.
Немного о заземлении. 1KΩ заземляющий резистор соединяет вывод заземления переменного тока с основой на выходе зарядного устройства. Четыре 9.1MΩ резистора соединяют внутреннюю основу постоянного тока с основой на выходе. Так как они пересекают границу изоляции, безопасность является проблемой. Их высокая устойчивость позволяет избежать опасности шока. Четыре резистора на самом деле не обязательны, но избыточности существует для того, чтобы обеспечить безопасность и отказоустойчивость устройства. Существует также Y конденсатора (680pF, 250В) между внутренним заземлением и заземлением на выходе. T5A предохранитель (5А) защищает выход заземления.
Одной из причин, чтобы установить в зарядном устройстве большее количество компонентов управления, чем обычно, является переменное выходное напряжение. Чтобы выдать 60 ватт напряжения, зарядное устройство обеспечивает 16,5 вольт с уровнем сопротивления 3,6 Ом. Для выдачи 85 ватт, потенциал возрастает до 18,5 вольт и сопротивление соответсвенно 4,6 Ом. Это позволяет зарядному устройству быть совместимым с ноутбуками, которые требуют различного напряжения. При увеличении потенциала тока выше 3,6 ампер, схема постепенно увеличивает выходное напряжение. Зарядное устройство экстренно выключается при достижении напряжения 90 Вт.
Схема управления является довольно сложной. Выходное напряжение контролируется операционным усилителем в микросхеме TSM103/A, которая сравнивает его с опорным напряжением, сгенерированным той же микросхемой. Этот усилитель отправляет сигнал обратной связи через оптрон к управляющей микросхеме SMPS на высоковольтной стороне. Если напряжение слишком высокое, сигнал обратной связи понижает напряжение и наоборот. Это довольно простая часть, но там где напряжение увеличивается с 16.5 вольт до 18.5 вольт все становится сложнее.
Выходной ток создает напряжение на резисторы с крошечным сопротивлением 0.005Ω каждый — они больше походят на провода, чем на резисторы. Операционный усилитель в микросхеме TSM103/A усиливает это напряжение. Этот сигнал переходит к крошечному операционному усилителю TS321, который запускает наращивание когда сигнал соответствует 4.1А. Этот сигнал поступает в ранее описанную контролирующую схему, увеличивая выходное напряжение. Текущий сигнал также входит в крошечный компаратор TS391, который отправляет сигнал в высоковольтное устройство через другой оптрон, чтобы сократить выходное напряжение. Это схема защиты, если уровень тока становится слишком высоким. На печатной плате есть несколько мест, где могут быть установлены резисторы с нулевым сопротивлением (т.е. перемычки), чтобы изменить усиление операционного усилителя. Это позволяет скорректировать точность усиления во время изготовления.
Штекер Magsafe
Магнитный штекер Magsafe, который подключается к Macbook, является более сложным, чем может показаться на первый взгляд. Он имеет пять подпружиненных штифтов (известных как Pogo штифты) для подключения к компьютеру, а также два контакта питания, две штифта заземления. Средний штифт является соединением для передачи данных к компьютеру.
Внутри Magsafe представляет собой миниатюрный чип, сообщающий ноутбуку серийный номер, тип и мощность зарядного устройства. Ноутбук использует эти данные, чтобы определить оригинальность зарядного устройства. Чип также управляет светодиодным индикатором для визуального определения состояния. Ноутбук не получает данные напрямую от зарядного устройства, а только через чип внутри Magsafe.
Использования зарядного
Возможно Вы заметили, что при подключении зарядного устройства к ноутбуку проходит одна-две секунды до срабатывания светодиодного датчика. За это время происходит сложное взаимодействие между штекером Magsafe, зарядным устройством и самим Macbook.
Когда зарядное устройство отсоединяется от ноутбука, выходной транзистор блокирует напряжение на выход. Если Вы измерите напряжение от зарядного устройства MacBook, то обнаружите приблизительно 6 вольт вместо 16.5 вольт, которые надеялись увидеть. Причина — вывод, отключен, и вы измеряете напряжение через обводной резистор чуть ниже выходного транзистора. Когда штекер Magsafe подключен к Macbook, он начинает обращаться к напряжения низкого уровня. Микроконтроллер в зарядном устройстве обнаруживает это и в течении нескольких секунд включает подачу мощности. За это время ноутбук успевает получить всю необходимую информацию о зарядном устройстве от чипа внутри Magsafe. Еси все хорошо, ноутбук начинает потреблять электропитание от зарядного устройства и посылает сигнал LED индикатору. Когда штекер Magsafe отключен от ноутбука, микроконтроллер обнаруживает потерю тока и отключает подачу питания, что также гасит светодиоды.
Возникает вполне логичный вопрос — почему зарядное устройство Apple настолько сложное? Другие зарядные устройства для ноутбуков просто обеспечивают 16 вольт и при подключении к компьютеру сразу подают напряжение. Основная причина заключается в целях безопасности, чтобы гарантировать, что напряжение не будет подано, пока контакты прочно не прикреплены к ноутбуку. Это сводит к минимуму риск возникновения искры или электрической дуги, при подключении штекера Magsafe.
Почему не стоит использовать дешевые зарядные устройства
Копия зарядного устройства имеет в два раза меньше деталей, нежели оригинал и место на печатной плате попросту пустует. В то время, как подлинное зарядное устройство Apple переполнено компонентами, его копия не рассчитана на большую фильтрацию и регулирование и в ней отсутсвует схема PFC. Трансформатор в копии зарядного устройства (большой желтый прямоугольник) намного крупнее по габаритам оригинальной модели. Более высокая частота усовершенствованного резонансного преобразователя Apple позволяет использоваться трансформатор меньшего размера.
Перевернув зарядное устройство и рассмотрев печатную плату, можно увидеть более сложную схему оригинального зарядного устройства. У копии есть всего одна ИС управления (в верхнем левом углу). Так как схема PFC полностью выброшена. Кроме того клон зарядки менее сложный в управлении и не имеет заземления. Сами понимаете, чем это грозит.
Стоит отметить что копия зарядного использует Fairchild FAN7602 зеленый чип контроллера PWM, который более совершенный, чем можно было ожидать. Я думаю большая часть ожидала увидеть что-то типа простого транзисторного генератора. И в добавок в копии, в отличии от оригинала, используется односторонняя печатная плата.
На самом деле копия зарядного устройства лучшего качество, чем можно было ожидать, по сравнению с ужасными копиями зарядок для IPad и iPhone. Копия зарядки для MacBook не сокращает все возможные компоненты и использует умеренно сложную схему. В этом зарядном устройстве также делается небольшой упор на безопасность. Применяется изоляция компонентов и разделение участков с высоким и низким напряжением, за исключением одной опасной ошибки, которую вы увидите ниже. Y конденсатора (синий) был установлен криво и опасно близко к контакту оптрона на высоковольтной стороне, создавая риск шока электрическим током.
Проблемы с оригиналом от Apple
Ирония заключается в том, что несмотря на сложность и внимание к деталям, зарядное устройстве Apple MacBook — не безотказное устройство. В интернете можно найти уйму разнообразных фото сгоревших, поврежденных и просто неработающих зарядок. Наиболее уязвимой частью оригинального зарядного устройства является именно провод в районе штекера Magsafe. Кабель довольно хлипкий и он быстро перетирается, что приводит к его повреждению, перегоранию или просто переламыванию. Apple предоставляет подробную инструкцию как избежать повреждения кабеля, вместо того, чтобы просто предоставить более мощный кабель. В результате обзора на веб-сайте компании Apple зарядное устройство получило всего 1,5 звезд из 5 возможных.
Зарядные устройства MacBook также могут перестать работать из-за внутренних проблем. Фотографии выше и ниже показывают следы ожогов внутри неудачной зарядки от Apple. Точно сказать, что именно послужило причиной возгорания, увы, невозможно. Из-за короткого замыкания сгорела половина компонентов и добрая часть печатной платы. Внизу на фото обгорелая силиконовая изоляция для крепления платы.