7 лет назад 11 января 2013 в 0:10 4723

Мы с вами обросли всякими гаджетами, «Айфонами», плерами, и они, как голодные дети, пищат из всех карманов – «дайте покушать». Сегодня будем их закармливать питательными амперами, покуда не лопнут. Хотя нет, обойдемся без вредительства (смайл).
Традиционный порт, через который ваши устройства заряжаются, – USB. С него через какой-нибудь фирменный или «левый» шнурок-переходник подается питание на гаджет, внутри которого спрятался очень важный модуль – контроллер заряда. Он похож по своей роли на снабженца-регулировщика, причем сухаря и буквоеда: его задача – при любых обстоятельствах зарядить батарею максимально быстро, не допустив ее перегрева или перезаряда, а также сберечь остатки электричества в ней, не давая «сесть» до нуля.

Напомню, хотя мы не раз об этом писали, что литиевые аккумуляторы, которые стоят внутри ваших телефонов и планшетов, очень нежны: напряжение выше 4,2 В на банку приводит к повреждению элемента, любая глубокая разрядка может стать последней, а на морозе «литий» попросту гибнет. Но главная задача регулятора напряжения – взять по максимуму с источника питания. И вот тут начинаются нюансы.

Немного теории
Спецификации USB-порта и форма его мини- и микроинкарнаций оговорены жестко. Так, в первых ревизиях шины ток потребления от нее долгое время был ограничен на уровне 500 мА при напряжении 5 В, в USB-ревизии 3.0 – 900 мА. Сухие цифры неподготовленным людям ничего не скажут, поэтому давайте представим идеальный аккумулятор (сферический и в вакууме, конечно) емкостью 2500 мА·ч и мысленно его зарядим током 500 мА.

Нам потребуется в лучшем случае 5 ч, и это без учета всех потерь! Увеличим ток зарядки до 900 мА – и уже менее чем через 3 ч он будет полнехонький. Более 2 ч времени сэкономлено. Именно поэтому производители техники постоянно увеличивают мощность своих фирменных адаптеров. А китайские фабриканты стараются не отставать.

Что произойдет, если контроллер заряда (оптимист) попытается взять, скажем, 2 А от пол-амперного сетевого адаптера? Вариантов несколько: сработает защита в адаптере, сам адаптер банально выгорит, может погибнуть и схема контроллера. А может, ничего и не случится. Но никому не хочется полагаться на случай, поэтому применяются разные электронные хитрости.

В USB 2.0-коннекторе – четыре провода. Два крайних – питание, два средних – так называемая дифференциальная шина данных. Если вы знаете, то в гнезде USB 3.0 уже восемь контактов, но ради совместимости главные – те же четыре – такие же, как и в USB 2.0. Высокая скорость и толстый шнур USB 3.0 объясняются наличием двух дополнительных витых пар. Чуть толще и питающие проводники. Исходя из упомянутого в этом абзаце, ясно, что гаджету в принципе все равно, в порт какой ревизии его втыкают, – четырехконтактные штекеры всегда будут одинаковы.

Можно подумать, что, если подключить питание к крайним контактам в правильной полярности и подать на них 5 В от внешнего источника, все «заведется и поедет». Не-а, не поедет. iPhone / iPad / iPod никак не отреагирует на такую зарядку, другие смартфоны / гаджеты, если и будут заряжаться, то долго. А все потому, что «мозг» девайса сначала снимет пробу электричества, нагрузив источник током 0,3-0,4 А.

Если это прошло без последствий и без просадки напряжения, он попробует взять все 600-800 мА, если и здесь все ОК, то батарея начнет заряжаться. Бывает, что от какого-нибудь «шнурка» телефон наотрез отказывается питаться. Как раз поэтому: просто его контроллер, «видя» падение напряжения, например, до 4,6 В, понимает, что проводки слишком тонкие, и не подключает аккумулятор, бережет его и себя, либо устанавливает зарядный ток на минимальном значении. Устройство лежит «заряжается», индикатор Charge на нем активен, а толку от этого нет – батарея практически не наполняется.

Из этой схемы есть исключения. Во-первых, гаджеты-«пенсионеры». Они вообще не знают, что теперь можно снять с USB-шины почти ампер тока. Довольствуются половиной этого, живут и радуются. Вторая группа – технократы. Поскольку при зарядке средние контакты D+ и D- в процессе не участвуют, кто-то головастый придумал, как их приспособить к делу. На современной элементной базе очень просто перед запуском блока заряда измерить в автоматическом режиме напряжение на этих проводках, проанализировать и на основании анализа дать соответствующую команду контроллеру.

Теперь я попытаюсь разбить все-все зарядные устройства с USB-розетками на несколько глобальных классов, а видовым признаком будет как раз логика подключения контактов D+ и D-. Группа первая. «Привокзальная закусочная». В них шина данных никак не использована, средние контакты ни к чему не подключены, просто висят в воздухе. Гаджет, будучи подключенным к такой зарядке, сперва теряется, не зная, что делать, потом либо разрешает подпитку батареи малым током, либо вообще отказывается от такого «блюда». Надо сказать, что подобных девайсов немного, все они к нам поступают из самой великой страны в Азии, и их надо остерегаться. Если уж люди экономят на одном проводке / перемычке, страшно подумать, с какой помойки взяты все радиоэлементы и какой ресурс окажется у подобного устройства.

Группа вторая. «Фастфуд-кафе». У этих девайсов средние контакты замкнуты между собой и более ни к чему не подключены. Всего одно соединение, и совсем другая музыка получается. Через такой зарядник не брезгуют питаться и «Айфоны» с «Айпэдами», смартфоны Samsung и HTC почитают адаптер почти как фирменный, да и остальные гаджеты чаще всего считают, что это – их любимая питалка, и заряжаются от нее быстро, как указано в инструкции.

Если девайс сделан инженером на совесть, то есть способен выдать хотя бы 1 А на выходе долговременно, – ура, проработает он долго и счастливо, пока дети не вырвут ему провода. Если же на деталях сэкономлено, а в гнездо включен прожорливый планшет, нельзя исключать вариант, что внутри что-нибудь не перегреется и не перегорит. Конечно же, любые источники питания не надо закапывать в гору тряпья и засовывать под подушки, какими бы милыми они ни казались: пока КПД их еще не достиг 100%, все они хоть немного, да нагреваются.

Группа третья. «Элитный ресторан для господ». Здесь свои порядки. Каждый производитель вправе подать определенные уровни напряжений на средние контакты, а микропроцессор, разгадав «аппаратный ключ», посчитает зарядник «кошерным» или нет и в зависимости от этого выберет алгоритм заряда. В этой категории абсолютный лидер – Apple, но и у Samsung, и у Sony есть собственное меню. «Родные» зарядники характеризует прежде всего отличная нагрузочная характеристика. Они легко выдают ток, даже превышающий заявленное на этикетке значение.

А если в гнездо включить «чужое» устройство, оно тоже прекрасно будет заряжаться. Предприимчивые китайцы давно уже разгадали все комбинации и шлепают свои копии зарядников, так что непонятно, от кого защищаются разработчики. Возможно, это дает им шанс продавать авторизованные аксессуары по неадекватным ценам, при этом гарантируя покупателю, что все будет заряжаться так, как задумано, ничего и нигде не перегорит и даже думать не надо про все эти вольты, амперы и миллиампер-часы.

Их право. А я вам скажу, что никаких особенных секретов нет. Apple использует два опорных напряжения, +2,0 В и +2,0 (+2,7 В), «яблочный» гаджет по наличию этих потенциалов опознает фирменную зарядку и заряжается по полной. Схема Samsung проще, она близка к «фастфудной», но на перемычку подается половина напряжения питания, то есть 2,5 В.

Знания получены – приступаем к практике
Для чего нам, любопытным, все это нужно и как можно применить собранную информацию? Лично я вот полез изучать вопрос после того, как понял, что подпитывать весь мой гаджетарий последовательным способом (от единственного зарядника) практически нереально, то есть пока заряжается одно устройство, второе уже погасло, а третье еще не дождалось своей очереди и жалобно пиликает.

В ход пошли все USB-розетки на ПК, потом хаб, затем в дело включился Power Bank и ноутбук с USB 3.0-портом. Хлопотно и неудобно. Возникла идея какого-нибудь мощного источника с десятком USB-розеток. Хорошо, преувеличиваю. Пусть с пятью. Какой-то автономности от него не надо – пусть стоит себе в офисе и тихо кормит моих электронных друзей. Пришел, вытащил всю электронику из карманов и зарядил одновременно. В пути помогает переносной аккумулятор, который теперь всегда полон.

В качестве источника тока один из лучших стационарных вариантов – списанные блоки питания компьютеров не старше начала 2000-х годов. Поясню. Их плюсы: высокая мощность, очень простая конструкция, «антивандальный» крепкий корпус, низкая цена, защиты от перенапряжения, короткого замыкания, плохой сети. Есть и минусы: неказистая внешность, нередко преклонный возраст, стальной кожух, который трудновато пропилить без инструментов.

Зато такой можно раздобыть по цене 50-100 руб. на барахолках или у сисадминов офиса вообще забесплатно. У меня такой проблемы вовсе не стояло – я запасся питальниками на несколько лет вперед (смайл). При выборе, мощность БП не играет никакой роли. Даже если взять уж совсем утопический вариант с iPhone, iPad и смартфоном на «Андроиде», включив все это одновременно, получится не более 5 А, то есть 25 Вт. Запас обычно не менее чем пятитикратный. Про всякие остальные варианты получения нужных 5 В поговорим несколько позже.

Еще мне и вам понадобятся USB-розетки в необходимом количестве. С этим немного сложнее, ибо в продаже они если и есть, то по каким-то неласковым ценам, к тому же, обращаясь в магазин, надо знать точное наименование детали. Лучший вариант – убедить расстаться с USB-гнездами старые материнские платы или работников сервисных мастерских, которые эти материнки распаивают на детали. А главное средство убеждения – нагретый мощный паяльник (я сейчас не про сервисменов, этим лучше принести свежего кефира (смайл)), а еще лучше – термовоздушная паяльная станция либо «строительный» фен.

Если попытаться вытащить USB-розетки, просто разламывая текстолит вокруг, ничего не выйдет: держатся они крепко, отверстия металлизированы и спаяны с выводами от души. Полезная в нашем начинании вещь – платка из передней панели старого корпуса с USB-розетками: ее можно не только опустошить, но и использовать как основу, а если удалить с нее все, то на поверхности легко размещаются шесть гнезд (у меня как раз такой вариант, но розеток пока четыре – устройство в процессе изготовления).

Теперь подпаиваем питание на розетки. Красный от молекса – +5 В – на крайние правые контакты розеток, если смотреть на них, повернув так, что «полочка» с контактами получается внизу. Провод «минуса» цепляем на корпус розетки и крайний левый ее контакт. Средние два вывода соединяем между собой, можно просто оставить каплю припоя на них и заизолировать трубочкой. У нас получилось «фастфуд-кафе», если вернуться к ассоциациям с учреждениями общепита выше. Замыкание средних контактов между собой говорит гаджету, что он подключен к адаптеру, с которого можно взять 850 мА.

Но прежде чем подать напряжение, неплохо было бы проверить состояние источника питания, тем более если он взят где-то на стороне. В Molex-разъем нужно засунуть старый винчестер или CD-Rom, подключить БП к розетке и замкнуть вывод 14 в большом разъеме на любой из черных проводов («земля»).

Если источник запустился, его кулер завертелся, значит, все нормально. Перфекционисты могут замерить напряжение вольтметром на красных проводах, но это, как правило, излишне: стабилизация напряжения в старых компьютерах (их легко отличить по повышенной нагрузочной способности канала +5 В) была достаточно высокой. Теперь можно замкнуть контакты «черный-зеленый» навсегда и либо включать устройство кнопкой сети, либо сразу вставлять штепсель в розетку. Если куча лишних проводов мешает, БП придется вскрыть и обрезать шнуры у самой платы, там же сделать перемычку для запуска. Заодно возьмите за правило вытряхивать вековую пыль и смазывать вентилятор.

Для примера приведу цифры, полученные с только что сделанного «фастфудного зарядника». Смартфон HTC Desire Z взял от источника 0,7 А, к концу зарядки ток упал до 0,2 А, потому что контроллер посчитал, что настала пора переходить на окончательную дозарядку, и уменьшил «порцию» электричества. iPhone 4 тоже не скромничал – откушал 0,92 А с включенным дисплеем и 0,87 А с погашенным. Внешние универсальные аккумуляторы ограничили свои аппетиты на уровне 0,5-0,6 А, в зависимости от модели. Вывод будет такой: для большинства устройств подобного «адаптера» будет достаточно, даже хитрый iPhone 4 заряжается очень быстро.

Но для ускоренного подзаряда iPad лучше немного усложнить схему, обеспечив нужные опорные напряжения для опознания его контроллером. Тут целое поле для творчества, и самый простой и используемый всеми вариант – делитель из двух пар резисторов, которые могут быть любыми; калькуляторов в интернете просто море, один из самых удобных можно найти по ссылке goo.gl/3Hv1w. Я же предлагаю не мучиться с подбором, а поставить два подстроечных резистора по 47 кОм – 100 кОм (это неважно), их подвижные контакты я соединяю с проводами дата-шины D+ и D-, а на крайние выводы подаю напряжение питания. Перед тем как подцепить гаджет на зарядку, регулирую опорные напряжения: D- (ближе к питающему +5 В-проводу) – 2,7 В (для сильноточного заряда), D+ (со стороны «земли») – 2,0 В.

Но, повторюсь, это важно только для сильнопотребляющих девайсов, таких как планшеты, – iPhone как заряжался током 0,8 А, так и заряжается. Вариант, выбранный Samsung (половина напряжения питания на соединенные вместе контакты D- и D+), можно брать как компромиссный: Apple идентифицирует такой зарядник как одноамперный, Samsung как «AC charger», и всем от этого в итоге хорошо.

Проверив спаянный девайс в работе, приведите его в божеский вид, USB-розетки тщательно закрепите, проводники и соединения заизолируйте термоусадкой или термоклеем. Теперь можете заряжать все подряд максимально быстро.

Не хватает по большому счету только одной детали – стабилитрона. Этот радиоэлемент при превышении напряжения умеет открываться и закорачивать собой линию питания, что вызывает срабатывание системы защиты. Это убережет ваши гаджеты от перенапряжения. Достаточно любой импортной «стекляшки» мощностью 0,5 Вт на номинальное напряжение 5,6-6,3 В. После окончательного пробоя он превратится в проводник и не даст включить БП. Этот метод опробован еще в старые времена, проще его не бывает. Придуманы и более надежные схемы, но они сложнее.

Зная, как разведены четыре контакта в USB-разъеме, можно сильно упростить свою жизнь, снабдив нужным количеством зарядных розеток системный блок (можно подключаться от его же БП, запас по мощности там немалый, напряжение брать с красного провода редко используемых теперь «молексов»). Можно устроить зарядную станцию около кровати при условии, что рядом есть розетка электросети. А вот с гаджетизацией автомобиля немного сложнее. Дело в том, что в бортсети 12 В, и для того, чтобы превратить их в 5 В, нужен понижающий преобразователь.

Если речь идет о токах 0,5-1,0 А (то есть питании одного устройства), сгодится и линейный стабилизатор-микросхема семейства 7805 (трехногая), но греться она будет как утюг, в связи с чем ей обязателен хороший радиатор. В XXI веке это уже моветон, гораздо правильнее купить на eBay модуль-плату преобразователя напряжения с допустимым током до 5 А размером со спичечный коробок и даже меньше. Строка для поиска такая: «DC-DC Converter Step Down».

Выбираете входное напряжение преобразователя и заказываете нужное количество. Цена примерно доллар-два за штуку. Эта же схема послужит и для мотоцикла, и в дальнем автономном походе, если есть возможность взять с собой свинцовый аккумулятор от ИБП. Его емкости хватит надолго, а вы всегда будете с заряженным GPS-навигатором и мобилкой. Даже можете оснастить провод питания модуля преобразователя «крокодилами» и подзаряжать свои гаджеты от любого автомобиля, включая грузовые.

Также теперь вы сможете самостоятельно разобраться, почему ваш любимый телефон, подключенный через штекер прикуривателя, отказывается быстро заряжаться. Вскройте этот штекер и посмотрите, как организовано соединение средних контактов. Если между ними уже стоит резистор, на 100-200 Ом (равноценно перемычке), значит, «не тянет» сама схема.

Такой питатель лучше поменять, на какие он гадости способен – неизвестно. И не стесняйтесь обращаться по любым электрическим вопросам, сотрудники тестлаба всегда к вашим услугам, а наш почтовый ящик прежний – hard@upweek.ru. Пишите, присылайте фотографии своих самопальных зарядников – самые интересные мы поместим в твиттер @upweek_testlab. UP

Традиционный дисклеймер
Закон имени товарища Ома – штука серьезная. И согласно ему, если сопротивление участка цепи падает до нуля (именно столько можно намерить омметром в пассатижах), ток стремится к бесконечности, а то, по чему он протекает, норовит разрушить. Поэтому давайте договоримся, что все, что вы будете делать со своими устройствами, вы будете делать на свой страх и риск, не предъявляя претензий автору.

Также желательно помнить, что в электророзетках есть высокое напряжение, попадание под которое может быть опасным вплоть до смертельных случаев. Поэтому стоит опасаться цепей сетевого напряжения в источниках питания ATX, электролитических конденсаторов на «высокой» стороне, выводов разъема сети, выключателя, радиаторов транзисторов полумоста.

Вообще, лучше без нужды под крышку работающего БП не лазить. На корпусе питальника, если он включен в розетку без заземления, присутствует напряжение около 100 В, если коснуться металла, а другой рукой схватиться за батарею или другую трубу, «дернет» душевно.

Зарядку лития нужно доверять специальному контроллеру, лучше качественному. Подключив батарейку напрямую к 5-вольтовому источнику, лучше сразу убегайте – она обязательно взорвется, рано или поздно.

Все подключения и подпайки надо делать при обесточенной схеме, при этом помнить, что даже на очень короткое время напряжение, поданное на гаджеты в неправильной полярности, их испортит, как и в правильной, но значительно больше по вольтажу.

Чтобы ничего не напортачить, рекомендую браться за конструкторские работы в здравом уме и отдохнувшим, а при малейшем сомнении перепроверять себя самостоятельно или с помощью радиолюбительских форумов. И удачи вам!

И снова об «Эппл» и планшетах
Многие ругают Apple за якобы излишнее, но пафосное внимание к мелочам, проприетарность ПО, файловой системы и все в таком духе. Но с точки зрения организации системы питания к их решениям не придраться. Возьмем iPad 3 с батареей 11560 мА·ч. Это самая емкая «планшетная» батарея на сегодняшний день. Совместимость планшета с USB-портами того же Mac да и любыми другими – добро, но это ограничивает напряжение зарядки все теми же 5 В.

А значит, надо сильно увеличивать ток для пополнения аккумулятора. Штатное зарядное устройство обеспечивает зарядный ток 2 А, «айфоновское» – 1 А. При пользовании фирменным зарядником, что, понятно, и рекомендует делать Apple, по сведениям от юзеров, понадобится около 6 ч, что совпадает с теорией. Если же зарядки перепутать, пополнение аккумулятора протянется вдвое дольше, вызвав справедливое негодование пользователя.

Причем, казалось бы, опасная ситуация, когда прожорливый iPad подключен к слабенькому телефонному заряднику, вовсе не опасна. Контроллер, определив потенциал на проводе D-, перейдет в режим заряда током 1 А. В связи с этим лучше отправить планшетку поспать – во сне она насытится быстрее.

Китайцы с Android-планшетами решают «пятивольтовую проблему» иначе. Довольно часто USB-порт используется только для синхронизации и передачи данных, а мощный вход для заряда выведен в виде отдельного гнезда, к которому прилагается свой фирменный адаптер, в котором может быть и 9 В, и 12 В, и даже больше, что облегчает токовую нагрузку на блок питания. Но теперь забывать дома адаптер никак нельзя, иначе придется таскать с собой потухшую железку. Мы такой подход не приветствуем.

Все та же Apple настойчиво просит ставить гаджеты на зарядку при остаточной емкости батареи 20%. Опять же, о нас заботится. Возьмите на заметку (смайл).

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?