Оглавление:
Представляем большой обзор настенной USB-розетки, предлагающей 6 портов с током до 3,5 А. В этой статье вы посмотрите тесты эффективности по току, нагреву схемы, заглянем внутрь блока и узнаете, как его можно легко модифицировать в плане улучшения характеристик. Аналогичное устройство, правда с сетевым гнездом 220 В и только двумя USB, уже побывало в нашей лаборатории и про него можно прочитать тут.
USB розетку купили на Али за 400 рублей в предложении под названием 2/3/4/6 USB зарядное устройство для настенной розетки Адаптер переменного / постоянного тока. Выбрали версию с 6 портами USB.
На обратной стороне розетки есть ее параметры:
- Вход 110 – 250 В,
- Выходное напряжение 5 В,
- Ток 1000 – 3500 мА.
Кроме того, контакты от сети питания имеют отдельную маркировку, тут только линии N и L, без заземления. Давайте подключим и тщательно протестируем устройство, чтоб понять его качество.
Первый тест USB розетки – эффективность по току и напряжению. Выполним это с помощью известного инструмента USB Doctor и используя искусственную загрузку для USB, под названием LD25. Модуль LD25 позволяет устанавливать ток нагрузки от 0 до 4 А, показывает напряжение и выходную мощность.
Подключим все приборы к розетке и проверим напряжение для различных токов. Для начала – без нагрузки:
Затем загрузим 3 A:
Измеренное напряжение с использованием USB Doctor и LD25 всегда было одинаковым, а погрешность составляла порядка десятых долей ампер. Результаты всех измерений представлены в таблице:
| Нагрузка [A] | Напряжение [В] |
| 5,4 | |
| 0,1 | 5,4 |
| 0,25 | 5,4 |
| 0,5 | 5,4 |
| 1 | 5,4 |
| 1,5 | 5,4 |
| 2 | 5,4 |
| 2.5 | 5,4 |
| 2,75 | 5,2 |
| 3 | 4,8 |
| 3,25 | 4,4 |
| 3,5 | 4,1 |
| 3,75 | 3,9 |
| 4 | 3,7 |
Здесь бросается в глаза одно – выходное напряжение зарядного устройства слишком высокое. Согласно стандарту USB 2.0, напряжение должно быть от 4,4 В до 5,25 В, поэтому 5,4 В на выходе слишком велико. И там определенно есть 5,4 В, проверяли его тремя вольтметрами: USB Doctor, LD25 и UT10A. Зато сила тока неплоха, хотя чуть раньше обещанного 3,5 А напряжение уже падает, могло бы быть и лучше.
Разберем корпус и заглянем внутрь розетки
Пора снять крышку и посмотреть, что именно китайцы наложили внутри. Передняя крышка расположена на крючках:
Внутри видна одна плата с небольшим импульсным источником питания:
Трансформатор находится на одной стороне, а остальные детали на другой:
При входе, на линии L, видим предохранитель T3.15A 25. Почему он на такой большой ток? Можно было и поменьше, для подстраховки.
Далее следуют четыре диода, образующие мост выпрямительный, каждый из которых подписан М7, то есть обычный 1N4007 в SMD исполнении. Каждый диод 1N4007 находится в корпусе DO-214AC:
Большой электролитический конденсатор конечно же расположен сразу за диодным мостом, он на 400 В и имеет емкость 15 мкФ:
Далее главный контроллер инвертора U1 DP2281 и MOSFET:
В даташите на м/с также показана схема примера преобразователя:
Источник питания DP2281 состоит из электролитического конденсатора на 50 В, резистора, через который он заряжается от сети, и выпрямительного диода, через который он заряжается от обмотки обратной связи трансформатора (при запуске инвертора).
Схема с диодом, конденсатором и резистором рядом с ним действует как демпфер – он гасит всплески напряжения на первичной обмотке трансформатора:
Выпрямление тока на вторичной стороне осуществляется с помощью двух параллельно подключенных деталей CLR6219. Сразу за CLR6219 подключены два электролитических конденсатора на напряжение 10 В и емкостью 680 мкФ:
На вторичной стороне БП находятся элементы, отвечающие за регулирование напряжения – TL431, который с помощью резисторного делителя устанавливает выходное напряжение, и оптопара PC817C, которая соединяет вторичную и первичную сторону и обеспечивает гальваническую развязку между ними:
Элемент TL431 – программируемый источник опорного напряжения, он работает как диод Зенера, по-русски стабилитрон.
PC817C является оптопарой, она участвует в регулировании обратной связи и напряжения инвертора и подключена к контакту обратной связи (FB контакт 2 DP2281) и в зависимости от напряжения изменяет ШИМ инвертора (вместе с контактом 4 – CS, то есть входом датчика тока).
Схема импульсного блока питания
Теперь рассмотрим отдельные фрагменты принципиальной схемы.
Для удобства разделим её на отдельные блоки. Как правило, преобразователи имеют топологию обратноходовую, а регулирование напряжения осуществляется с помощью обратной связи со стороны вторичной обмотки.
- Блок 1 подключен напрямую к сети, там имеется предохранитель, мост, который выпрямляет сетевое напряжение, и электролитический конденсатор, который заряжается почти до пикового напряжения сети (220 В переменного тока превращается в 325 В постоянного).
- Блок 2 является источником питания контроллера инвертора DP2281. Конденсатор 50 В 10 мкФ постоянно заряжается через резистор R12 сопротивлением 2 МОм, но ток, протекающий через этот резистор, недостаточен для работы преобразователя, его достаточно только для запуска. С момента запуска инвертора конденсатор также заряжается от обмотки обратной связи через выпрямительный диод, благодаря чему источник питания может продолжать работать.
- Блок 3 представляет собой демпфер. Теоретически схема будет работать и без него, но MOSFET будет подвергаться большему нагреву, а также риску повреждения.
- Блок 4 представляет собой три резистора с очень низким сопротивлением, подключенных через другой резистор к выводу CS (Current Sense) от контроллера инвертора. Этот вывод измеряет ток протекающий через первичную обмотку и полевой МОП-транзистор. Преобразователь на основе сигнала с этого контакта (и сигнала с контакта FB – Feedback) устанавливает сигнал для правильного заполнения скважности транзисторного ключа, для поддержания соответствующего напряжения на выходе.
- Блок 5 подключен ко вторичной обмотке, два CLR6219 здесь просто как быстрый диод, который выпрямляет импульсы тока на частоте инвертора и позволяет получать постоянный ток и заряжать конденсаторы ими.
- Блок 6 является минимальной нагрузкой для инвертора, многие инверторы не должны запускаться полностью без нагрузки, поэтому эти резисторы расположены на печатной плате.
- Блок 7 программируемый источник опорного напряжения TL431 с необходимыми элементами для его функционирования. Он устанавливает точное выходное напряжение, изменяя соответствующие резисторы, позволяет изменять выходное напряжение (но только в небольшом диапазоне). Сигнал от TL431 поступает на оптопару PC817 (обеспечивая гальваническую развязку), а затем поступает на вывод FB от контроллера инвертора вместе с выводом CS устанавливает режим ШИМ работы DP2881 для поддержания надлежащего напряжения на выходе.
- Блок 8 является полевым ключом MOSFET, подключенным к выводу GATE контроллера DP2881. Это МОП-транзистор с соответствующей частотой, он пропускает напряжение около 300 В через первичную обмотку трансформатора.
Конденсатор CY1 соединяет вторичную сторону с первичной, и в упрощенном виде его роль заключается в уменьшении помех.
Модификация выходного напряжения БП
Выходное напряжение источников питания, реализованных такой схемотехникой, может быть относительно легко изменено путем изменения делителя напряжения на TL431. Для этого отпаяем элемент R3, код резистора 3301, то есть сопротивлением 3,3 кОм:
Затем берем резистор с немного большим сопротивлением и снова выполним тестирование блока питания при разных токах:
После замены резистора напряжение на выходе 4,9 В, и остается таковым до нагрузки от 2.5 A, а затем при 3.0 A нагрузки падает до 4,7 В. Таким образом, блок питания работает аналогично тому, что было до модификации, но напряжение больше не превышает напряжение стандарта USB.
Тест прогрева блока USB под нагрузкой
Его провели для того, чтобы приблизительно определить, работает ли блок питания при большой нагрузке, и посмотреть, какие элементы и насколько будут нагреваться. Делался тест при температуре окружающей среды 18 C.
Зафиксирована самая высокая температура на CLR6219. Также была очень высокая температура на электролитических конденсаторах на выходе инвертора, и это нехороший знак, потому что вполне возможно, со временем они высохнут. Кроме того, остальные элементы тоже были довольно теплыми, но не так сильно как остальные.
Следующий тест измеряет источник питания для различных входных напряжений (разные напряжения сети). Проверим устройство на различных напряжениях питания от 20 В переменного тока до 250 В. Для этого использовался автотрансформатор:
Его входное напряжение 220 В, а выход может быть установлен от 0 В до 250 В. Мультиметр UT10A в режиме измерения напряжения переменного и токоизмерительный прибор UT210E в режиме измерения переменного тока:
Выше фотографии измерений, а затем таблица с кратким изложением всего для более удобного понимания.
| Вход переменного напряжения [V] | Потребляемая мощность [A] | Выход преобразователя [В] |
| 260 | 0,093 | 4,9 |
| 250 | 0,096 | 4,9 |
| 240 | 0,100 | 4,9 |
| 230 | 0,102 | 4,9 |
| 210 | 0,113 | 4,9 |
| 180 | 0,136 | 4,9 |
| 150 | 0,164 | 4,9 |
| 120 | 0,197 | 4,9 |
| 100 | 0,225 | 4,9 |
| 70 | 0,306 | 4,9 |
| 60 | 0,311 | 4,6 |
| 50 | 0,297 | 4,4 |
| 40 | 0,281 | 4,1 |
| 30 | 0.0 |
Таблица тестов с автотрансформатором до 260 В переменного тока
Этот блок питания работает нормально от 70 В до 250 В. Таким образом, розетки можно использовать как в сети 230 В, так и в сети 120 В. При напряжении 60 В переменного тока начинаются проблемы и становится 4,6 В выхода вместо 4,9 В. При 50 В на входе уже 4,4 В, что на удивление все еще относится к стандарту USB. При 40 В на выходе уже 4 В, а это слишком мало.
Модификация схемы и повышение КПД
Теперь разберемся как увеличить эффективность схемы, изменив сопротивление шунта на выводе CS от микросхемы DP2281. Попробуем побороться с падением напряжения, которое происходит когда подаем питание на потребитель тока 3 А.
Конечно эффективность тока инвертора ограничена многими факторами, например нагревом элементов, трансформатора, выпрямительного диода на вторичной стороне и так далее. Предлагаемая модификация заключается в изменении сопротивления между выводом CS (измерение тока контроллера инвертора) и землей. На печатной плате это место выглядит так:
Из фотографии видно, что есть место для другого резистора. Возможно ли, что производитель изначально допускает более высокие токи, а затем решил, что, например, другим компонентам не стоит слишком сильно нагреваться? Может, он просто поменял другие компоненты на более слабые и более дешевые аналоги? Здесь параллельно подключены три резистора 2R70. Вы можете легко рассчитать их сопротивление общее.
Проверим как преобразователь ведет себя без изменений при токе нагрузки от 2,8 до 4,0 А, и сохраним результаты в таблице:
| Нагрузка [A] | Напряжение [В] |
| 2,8 | 4,9 |
| 2,90 | 4,8 |
| 3,00 | 4,7 |
| 3,10 | 4,6 |
| 3,20 | 4,4 |
| 3,30 | 4,3 |
| 3,40 | 4,1 |
| 3,50 | 4,0 |
| 3,60 | 3,9 |
| 3,70 | 3,9 |
| 3,80 | 3,8 |
| 4,00 | 3,8 |
Здесь можем наблюдать, что падение напряжения начинается при токе нагрузки 2,9 А. Напряжение падает до 3,8 В с нагрузкой 4 А. Можно ли улучшить это? После припайки резистора 5,6 Ом сопротивление заземления на выводе CS изменилось с 0,9 Ом до 0,79 Ом. Теперь проведем все измерения снова.
После модификации падение напряжения начинается при токе нагрузки 3,7 А!
| Нагрузка [A] | Напряжение [В] |
| 2,8 | 4,9 |
| 2,90 | 4,9 |
| 3,00 | 4,9 |
| 3,20 | 4,9 |
| 3,30 | 4,9 |
| 3,40 | 4,9 |
| 3,50 | 4,9 |
| 3,60 | 4,9 |
| 3,70 | 4,8 |
| 3,80 | 4,8 |
| 3,90 | 4,7 |
| 4,00 | 4,6 |
| 4,09 | 4.5 |
Питание на нагрузке от 0 A до 3,6 А имеет выходное напряжение 4,9 В. Это намного лучше, почти на один ампер больше, чем было до изменений.
После изменения предела тока установим нагрузку на 4 А и оставим блок питания работать. Через несколько минут микросхемы выпрямления напряжения достигли 70 C. Ещё через 10 минут уже 95 C. Это слишком много! Решено заменить их на более мощный диод. Сначала распаяем оба CLR2219.
Лучше всего сюда идёт многократно испытанный диод Шоттки VT1045. Выбрал его из-за низкого падения напряжения. Проверим насколько уменьшился нагрев – теперь через 10 минут температура была уже не 95 C, а всего 60 C.
Окончательный вариант блока питания
Замена CLR2219 на диод Шоттки VT1045BP привела к тому, что проблема перегрева исчезла, но, к сожалению, напряжение снова несколько снизилось при нагрузках выше 3,6 А. Изменение было только около 0,1 – 0,5 В, но стоит попытаться исправить это.
Можно просто уменьшить сопротивление на выводе CS, то есть позволить инвертору работать с немного более высокими токами.
Согласно расчетам, сопротивление шунта изменится с 0,9 Ом до 0,58 Ом. После этого изменения снова проверил напряжение при разных нагрузках. Результаты оказались настолько хорошими, что приведу только фото при 4,1 A:
После этой модификации блок питания обеспечивал стабильное напряжение 4,9 В для любого тока нагрузки от 0 до 4 А. На 4,1 A выходная мощность достигла почти 20 Вт. Ни один из элементов не нагревался слишком сильно, а сам блок питания прошел 5-часовую проверку без каких-либо проблем.
Окончательная схема блока питания USB с внесенными изменениями:
Все модификации были успешными и теперь источник питания способен обеспечить до 4 А при стабильном напряжении 4,9 В. Конечно мы не собираемся убеждать кого-либо использовать именно такой модифицированный настенный USB адаптер для зарядки телефонов. Все это было скорее показано в образовательных целях. На практике вы можете просто купить и установить – всё итак неплохо работает. Но если вы настоящий радиолюбитель, то приложить руку в плане улучшения работы девайса будет вполне оправдано.
