Электрическая розетка со встроенными двумя портами USB, работающими как стандартное зарядное устройство – тестирование, схема и разборка прибора.

Как вы уже догадались, это обычная электрическая розетка на 220 вольт, которая дополнительно имеет встроенный источник питания 5 В / 2 А, позволяющий питать устройства через два USB-разъема, например им можете заряжать мобильный телефон, планшет или повербанк.

По-сути это бытовая электрическая розетка. Имеет сетевое напряжение, естественно опасное для жизни. Только электрики должны устанавливать её.

В продаже есть несколько различных типов подобных розеток. Есть версия на 1 А, 1,5 A и 2 A. Тут выбрана самая мощная версия 5V 2A.

Передняя часть имеет стандартные размеры, но, конечно, задняя немного больше за счёт платы импульсного преобразователя. Вот сравнение её со старой, которая стояла в стене до замены:

Около 30 мм глубины. Это неплохо, в большинство банок подойдет.

Белую фронтальную часть держит 4 пластиковых крючка-защёлки.

Вид после снятия крышки спереди:

Плата с импульсным источником питания может быть просто извлечена изнутри, хотя нужно быть осторожным с проводами, лучше аккуратно отодвинуть их отверткой:

Плата преобразователя 220/5 во всей красе. Некоторые элементы в SMD виде, некоторые в THT (сквозная сборка):

LED индикатор между портами USB горит постоянно при наличии сетевого напряжения. Весь блок питания собран по типичной топологии обратноходового преобразования напряжения.

Вот расстояние между первичной и вторичной сторонами (изоляция от сети), однако в конечном итоге трудно оценить развязку, поскольку она также зависит от качества трансформатора.

Контакты D+ и D- от разъемов USB находятся вместе. Контакты 5 В от USB портов также подключены и к заземлению. Есть специальный конденсатор, который находится между первичной и вторичной сторонами.

На фотографии нижней части платы видно, что трансформатор имеет одну обмотку на вторичной стороне и две обмотки на первичной. По-видимому тут регулирование напряжения полностью на первичной стороне, с использованием обмотки обратной связи, это не похоже на многие другие преобразователи, использующие оптрон.

На контроллере импульсного преобразователя можно прочитать: HX3612A и P31O557.

На плате нет транзисторов, и эта микросхема подключена непосредственно к обмоткам трансформатора, поэтому можно легко сделать вывод, что это преобразователь со встроенным транзистором MOSFET.

Чип питается от 12 В – было измерено напряжение на выводах электролитического конденсатора емкостью 4,7 мкФ при 50 В, что видно на фото.

Под конденсатором с первичной стороны находится выпрямительный мост, установленный на поверхности платы, он имеет обозначение MB10F. Его даташит легко найти в Интернете:

Перед диодным мостом резистор FR1, точнее своеобразный предохранитель (плавкий резистор). Это резистор, который после превышения номинальной мощности быстро перегорает и разрывает цепь, защищая схему от повреждений.

Однако тут не видно никакого фильтра подавления помех, поэтому этот преобразователь может теоретически распространять помехи по сети.

Чуть дальше можно распознать три элемента (резистор R2 – обозначение 204, конденсатор C2 – обозначение 102 1 кВ, диод D1 – обозначение A7), которые образуют цепь гашения всплесков импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора.

Наконец, диоды D3 и D4 (маркировка SS54), которые находятся на вторичной стороне трансформатора и выпрямляют ток перед подачей его на конденсатор 470 мкФ и на разъемы USB. Диодов два, соединены параллельно. Это позволяет разделить общий ток пополам, слегка ослабляя нагрузку на каждый из диодов. А кусок фольги текстолита создает примитивный радиатор.

Диоды D3 и D4 являются диодами Шоттки, информация о них легко доступна в Сети:

Схема инвертора розетки 220 / 5 В

Далее схема соединений радиоэлементов с платы. На ней отсутствуют два резистора, но она уже дает некоторое представление о том, что там собрано:

БП работает так: фазный провод подключается к диодному мосту MB10F через резистор-предохранитель, который ограничивает зарядный ток конденсатора E1 и в то же время защищает от чрезмерного потребления тока, вызванного неправильной работой инвертора.

Затем конденсатор E1 6,8 мкФ 400 В фильтрует входное напряжение. Основная система инвертора получает питание сначала от резистора R1 (305 – 3 МОм), он заряжает конденсатор E2 4,7 мкФ 50 В, подключенный, вероятно, к контакту VCC контроллера (согласно измерениям он составляет 12 В). Инвертор запускается и пропускает ток через первичную обмотку. Таким образом, энергия сохраняется в его сердечнике, которая передается на вторичную обмотку и обмотку обратной связи после открытия внутреннего транзистора в схеме контроллера в конце цикла нарастания тока. Это приводит к появлению тока на других обмотках. Обмотка обратной связи берет на себя роль источника питания схемы контроллера, а также используется для управления выходным напряжением (возможно, на резисторном делителе, не включенном в эскиз схемы). Резистор R5 на 1 Ом.

Элементы R2, C3, D1 представляют собой демпфер, роль которого состоит в уменьшении импульсов напряжения, которые наводятся на первичной обмотке во время переключения.

На вторичной стороне все понятно. Два диода Шоттки выпрямляют напряжение, которое поступает на электролитический конденсатор E3 (470 мкФ, 6,3 В), затем резистор 1 кОм R6 постоянно нагружает выход инвертора плюс светодиод режима ожидания.

Измерения и тесты розетки

Для проведения измерений временно подключим розетку к трехжильному сетевому кабелю с вилкой. Разумеется, подключено всё в соответствии с общепринятыми стандартами (правильное подключение L – фазного проводника, защитного PE-провода – заземления и N – нулевого провода).

Для начала, используя мультиметр, который был под рукой, измерим потребление тока от сети 220 В импульсным источником питания без нагрузки:

0,326 мА – это неплохо. Затем проверим выходное напряжение преобразователя без нагрузки:

Вышло 5,21 В, то есть в пределах стандарта USB. Но значение напряжения холостого хода мало что говорит, поэтому попробуем нагрузить инвертор и посмотрим, что произойдет.

Вначале проверим как это будет происходить со старым телефоном – подключим его через измеритель напряжения и тока (USB Doctor).

• Ток зарядки: 0,67 А
• Напряжение: 5,13 В
• Мощность, потребляемая от сети: 4,6 Вт

Теперь проверим как БП будет вести себя под нагрузкой в 1 ампер.

Если мы знаем, что напряжение составляет 5 В, и хотим чтобы ток протекал 1 А, то можем рассчитать по закону Ома, что потребуется резистор на 5 Ом. Вот подходящий с аналогичным значением на 4,7 Ом:

Для этого взял разъем micro-USB и подготовил соответствующую нагрузку:

Вот результат тестов с резистором 4,7 Ом в качестве нагрузки.

• Нагрузочный ток: 0,97 А
• Напряжение: 5,17 В
• Мощность потребляемая от сети: 6,5 Вт.

Попробуем загрузить блок питания еще больше. Подготовим вторую нагрузку из двух параллельно подключенных резисторов:

И используем простой USB-концентратор для одновременного подключения обеих нагрузок:

• Нагрузочный ток: 1,62 А
• Напряжение: 5,03 В
• Мощность: 10,5 Вт.

Результаты теста оказались довольно хорошими. Даже при 1,62 А выходное напряжение не опускается ниже 5 В.

Превышение тока USB 2 А

А теперь проверим, что произойдет если превысить номинальный уровень 2 А этого преобразователя. Вот тут уже выходное напряжение выходит далеко за пределы стандарта USB. Но по паспорту инвертор имеет ток до 2 А, поэтому он так приблизительно и должен работать при перегрузке.

• Нагрузочный ток: 2,20 А
• Напряжение: 3,12 В
• Мощность, потребляемая от сети: 9,6 Вт

Проведём 12-ти часовой тест под нагрузкой 1,5 A. Розетка была нагружена таким образом, чтобы в течение 12 часов потреблялось приблизительно 1,5 А тока. Все при комнатной температуре. Постепенно все больше и больше блок питания нагревался до 55 C. Но барьер 60 C не был превышен. Все время выходное напряжение и ток оставались более-менее одинаковыми.
Ничего не плавилось, не дымило, тест прошел довольно хорошо.

Подведем итоги

Основные тесты с сетевой розеткой USB оказались лучше, чем ожидалось – похоже продукт действительно соответствует стандарту USB. Напряжения нормальные и не падают значительно даже при нагрузке 1,5 А. Это определенно лучше, чем можно требовать от дешевого безымянного девайса.

Ещё один момент: с некоторыми зарядными устройствами сенсорные экраны в смартфонах глючат, другими словами, они живут своей жизнью. Эксплуатация устройства становится практически невозможной. Например некоторые настольные розетки 220 В с USB (смотрите фото ниже) дают неплохой ток, но имеют похожую проблему.

Преобразователь всё-же имеет несколько недостатков:

1. нет фильтра подавления помех на стороне сети,
2. нет стабилизации выходного напряжения преобразователя – только косвенно, от вспомогательного напряжения,
3. нет защиты от перенапряжения,
4. нет выходного фильтра, даже простого LC.
5. резистор предохранителя было-бы неплохо поставить TR5, что конечно не идеально для безопасности, но в любом случае лучше чем простой.

Кстати, ошибкой является отсутствие конденсатора между первичной и вторичной сторонами. Этот конденсатор должен рассеивать радиочастотные помехи, проходящие через трансформатор от первичной до вторичной стороны. Кроме того, он не вводит «покалывание» утечки, поскольку относится к массе стороны сети, которая связана с постоянным потенциалом коллективного конденсатора.

Когда преобразователь имеет только L и N провода на входе, используется схема делителя RC, которая формирует искусственную массу (нейтральную точку), а вторичная масса заземления подключается через конденсатор CY.

В тестируемом здесь блоке питания не видно такого решения. Конденсатор Y связывает массу первичной цепи, которая вполне может иметь потенциал линии L.

Конечно, чтобы полностью оценить устройство, было бы полезно сделать больше тестов, посмотреть на обмотки трансформатора и оценить его изоляцию, проверить как блок питания справляется с большими отклонениями сетевого напряжения, измерить пульсацию напряжения и насколько схема излучает помехи в сеть. В любом случае установка USB-разъемов в стенах в розетках очень удобное решение.