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Como funcionan los cargadores de telefonos

Info9/9/2015
A la mañana estaba viendo un post sobre un practico cargador solar () y un taringuero preguntaba esto:



Pense en desarrollar todo un post propio con la explicación pero recordé haber visto algo muy bien desarrollado y con varias pruebas realizadas y se los dejo a continuación.

cargadores


Tutorial sobre los cargadores de tabletas y celulares chinos


El tipo de cargadores que mas se usa en china para tabletas y celulares son los del tipo fuente conmutada (switch-mode power supply). Estos han ido reemplazando a los cargadores lineales (linear power supply) que se usaban antes, gracias a su mayor eficiencia, menor tamaño y peso.

En china hay muchas calidades de cargadores, muchos compradores vienen a china y se guían solo por la apariencia exterior o las especificaciones que traen en la etiqueta lo cual en la mayoría de casos es falso. Ademas los cargadores económicos dan cierta capacidad a 220V pero menos capacidad a 110V lo cual puede acarrear problemas para los clientes de países como Colombia, ecuador, Venezuela y Centroamérica.

Primero que todo vamos a analizar como funciona un cargador, luego veremos como testearlos y al final compararemos un buen cargador con la basura que compran muchos en los mercados en china.

Esta guía en sus aspectos básicos aplica para muchas fuentes DC conmutadas ya sea un cargador de celular, fuente de PC, etc.

FUNCIONAMIENTO DE UN CARGADOR



Un cargador lo podemos dividir en las siguientes fases, rectificación de entrada, oscilador Mosfet, transformador de salida, rectificador de salida y el circuito controlador del oscilador

RECTIFICACION DE ENTRADA



Recibe el voltaje alterno de entrada ya sea 220V o 110V y por medio de un puente de diodos (diode bridge con 4 diodos) se convierte en corriente directa. Este voltaje es poco estable y posee un gran rizado (ripple) por eso de ahi pasa por el Condensador de entrada (electrolítico, alto voltaje y gran tamaño) que reduce el riple a niveles manejables por el oscilador mosfet. En esta etapa también por protección encontramos el fusible el cual se quema en caso de cortocircuito. Nota: En cargadores de alta calidad (para mercados europeos o estados unidos) en esta área encontraremos también un circuito para aumentar el factor de poder (lo exigen en la unión europea) y un circuito para eliminar cualquier interferencia pueda emitir el cargador a la linea de voltaje principal, en cargadores para el mercado latinoamericano por lo general se omiten.

OSCILADOR MOSFET



Es un Transistor MOSFET de alto voltaje. Se enciende y apaga a una alta frecuencia para producir un voltaje alterno que pueda alimentar el transformador de salida(los transformadores solo trabajan con corriente alterna). Este MOSFET es controlado ya sea por otro transistor (diseños sencillos) o por un Integrado que reciben retroalimentación del opto acoplador. El Oscilador MOSFET enciende y apaga a una frecuencia de 50KHz o mas, se escoge esta alta frecuencia por dos razones, la primera para que esta oscilación no sea audible (por lo general no detectamos sonidos de mas de 20KHz) y la segunda para hacer mas pequeño el cargador ya que entre mayor la frecuencia el transformador de salida se puede hacer mas pequeño (por eso los cargadores antiguos eran grandes y pesados ya que el transformador era grande debido a que trabajaba a los 50-60hz de la corriente de linea). Este MOSFET es la parte mas importante en la calidad de un cargador, un buen MOSFET es algo costoso por lo cual es común que los chinos usen MOSFET usados en los cargadores económicos. Aunque en teoría esta oscilación es muy eficiente, la verdad se producen perdidas ya sea por corrientes parásitas o por la pequeña resistencia interna del mosfet por lo cual siempre se va a desperdiciar algo de energía en forma de calor, entre mayor sea la capacidad en vatios del cargador mas se calienta por lo cual en algunos casos debe hacerse mas grande o ponerle un disipador.

TRANSFORMADOR DE SALIDA

Este provee la aislación eléctrica entre el circuito secundario (corriente directa) y el circuito primario (corriente alterna). El funcionamiento de un transformador se basa en las propiedades de los inductores (bobinas) las cuales se resisten los cambios de corriente eléctrica, este como los otros transformadores consta de un devanado de entrada, un núcleo (ferrita, aire)y un devanado de salida. La corriente alterna producida en el oscilador mosfet llega al devanado de entrada e induce una corriente equivalente pero de menor voltaje en el devanado de salida del transformador. La corriente inducida en el devanado de salida luego pasa por el diodo rectificador de salida.

RECTIFICADOR DE SALIDA

El voltaje que sale del transformador es alterno y como sabemos las tabletas trabajan con corriente directa, para hacer la rectificación se usa un diodo Schottky ya que tienen menor tiempo de recuperación y menor caída de voltaje que los diodos normales(en algunos diseños usan un MOSFET).

SALIDA

El voltaje que sale del diodo rectificador ya es directo pero tiene mucho ruido y Rizado (ripple), para filtrar ese ruido y rizado usamos el condensador de salida (electrolítico) , ya filtrado el voltaje va va los terminales de salida. También tenemos un diodo Zener que detecta el voltaje que va a controlar el opto-acoplador para la regulación de voltaje. Algunos cargadores también incorporan un LED (va con su respectiva resistencia).

CIRCUITO CONTROLADOR DEL OSCILADOR

El voltaje de salida del cargador es regulado por medio de un circuito de retroalimentación que consta de un diodo zener, opto-acoplador y el circuito controlador del Oscilador mosfet. El diodo zener recibe parte del voltaje de salida y genera una senal que controla el opto-acoplador, el opto-acoplador internamente consta de un led y una foto-celda, según la señal de entrada el led del opto-acoplador produce una señal luminosa la cual es convertida nuevamente a electricidad por la foto-celda (en china es común usar opto-acoplador usados en los cargadores baratos). La corriente de salida del opto-acoplador es la que llega al transistor que controla los ciclos de encendido-apagado del oscilador mosfet. Al apagar-encender el mosfet a cierto ratio se afecta el ciclo de trabajo (duty cicle) de la corriente de salida del oscilador mosfet lo cual por ende cambia las caracteristicas del voltaje de salida.

Les adjunto las especificaciones de un optocoupler chino muy usado en shenzhen

JC817-OPTOCOUPLER-YILIN


Nota: En algunos cargadores el mosfet y el circuito controlador del mosfet estan incluidos en un simple integrado, les adjunto las especificaciones de uno de esos integrados , el RM6203 que es común en china por lo económico pero en mi experiencia regula pésimo.

RM6203


SEGURIDAD EN LOS CARGADORES

Aunque la salida por lo general es de corriente directa y bajo voltaje (no peligrosa) , el área alterna del cargador maneja altos voltajes alternos los cuales pueden llegar a ser peligrosos. EL mejor consejo es no destapar un cargador excepto sea estrictamente necesario. Si el cargador esta conectado hay que tener extremo cuidado con la parte alterna, si esta desconectado hay que descargar primero el condensador de entrada, este almacena carga a alto voltaje incluso tiempo después de haberlo conectado.

Una buena practica de seguridad que muchos cargadores baratos la olvidan son los seeds, son pequeñas resistencias que ayudan a descargar lentamente los condensadores luego de desconectar el cargador del enchufe. Como sabemos los momentos de mayor stress para un cargador son al conectarlo al enchufe ya que los condensadores se cargan y la corriente en el circuito aumenta y cuando se desconecta ya que los condensadores se descargan rápidamente aumentando también la corriente en el circuito, por eso es importante poner los seeds.

Es importante el cargador posea el circuito regulador de voltaje retroalimentado, los cargadores mas baratos por lo general lo omiten omiten lo cual pone en riesgo la vida útil de la tableta o celular.

El material de la carcaza debe ser poco flamable, mucho cargador barato no solo por el material de la carcaza sino por el material interno, luego de un cortocircuito puede crear un incendio.

No compre cargadores baratos, estos usan material usado lo cual pone en riesgo su seguridad y la vida útil de sus aparatos.

COMO TESTEAR LOS CARGADORES



Para testear la calidad de los cargadores necesitamos una carga digital, un osciloscopio y un termómetro, un regulador de voltaje a 110V puede ser util si el cargador va a ser usado en países que usan 110V. Si el país donde se va a usar exige un mínimo de eficiencia en el cargador también necesitamos un medidor de poder.

Con la carga digital la ajustamos a la capacidad que queremos medir, ajustamos la corriente ya sea a 2000, 1000, 500 miliamperios/hora o cual sea la capacidad supuesta del cargador. Hay que tener en cuenta las perdidas de voltaje en el cableado de la carga digital (por lo general en mis test ajusto la carga a 4.7V para compensar), el voltaje no debe bajar de 4.7 o mínimo 4.5V, si es menos quiere decir el cargador no esta diseñado para esa capacidad y entonces lo testeamos con una carga menor. En mi caso yo los testeo basado en voltaje, teniendo en cuenta la caída de voltaje que produce el cable (mas o menos 0.3V) selecciono la carga digital por voltaje y no por amperaje (4.7V) y reviso cual es la corriente máxima que da el cargador. Para hacer las pruebas es recomendable usar un cable que sepamos sea de buena calidad ya que muchos cargadores chinos baratos el material del cable es usado por lo cual tienen alta resistencia y le bajan la capacidad al cargador.


Rizado y ruido (cargador de muy mala calidad)


Verificamos con el osciloscopio que el ruido y el rizado (ripple and noise) del voltaje de salida no sean muy altos. Un cargador con mucho ruido y rizado nos va a generar problemas sea con la pantalla (lineas oscilantes) o en casos extremos con el touch screen, por eso a veces que conectas una tableta o un celular a un cargador barato, el touch screen se vuelve impreciso, a veces se vuelve loco. Un cargador estable también nos va a proteger el circuito de carga y la batería de la tableta o el celular.

También es importante usar un termómetro, verificamos que la temperatura del oscilador mosfet no sobrepase las especificaciones técnicas, lo mismo en el diodo rectificador de salida o los diodos de entrada.Un cargador ineficiente va a generar mas calor que uno mas eficiente.

Por ultimo verificar las medidas de seguridad que apliquen en su país, que el material de la carcaza sea no flamable, los seeds para descargar los condensadores, fusible, etc.



Como vemos el cargador decente muchos de los componentes del circuito de entrada (como el oscilador Mosfet y el circuito controlador del oscilador) están incorporados en un integrado. Ademas el condensador de entrada es de mayor capacidad (filtra mejor), el transformador es mas grande (mayor capacidad), el diodo de salida mas grande (mas capacidad) y el condensador de salida de mayor capacidad (mayor estabilidad). También en la parte directa posee un transistor ademas del zener, el optoacplador es nuevo y posee ademas el condensador entre la parte alterna y la directa para filtrar interferencia. Por el otro lado vemos posee los seeds para aumentar la seguridad.

TEST CARGADOR ECONOMICO

Empecemos con el cargador económico, vamos a iniciar con bajas corrientes a 220v, luego aumentamos la corriente y al final hacemos el test a 110V.




Este test lo hize a 220V y 1200 ma/h, como vemos a la izquierda el ruido es altísimo y se sale de la escala del osciloscopio, por eso a la derecha cambie la escala a 200mV para poder medir la magnitud del ruido que llega a 1V peak to peak. También podemos ver que existe un rizado (las ondas que se ven en la señal). Ademas a 1200 mah el voltaje es bastante bajo a 4.6 que aunque va a cargar la tableta, va a estar forzado el cargador.




A 1400 ma/h solo nos va a mantener un voltaje de 4.4V, con este voltaje la tableta no creo cargue encendida (aunque apagada posiblemente lo haga), si vemos el gráfico del osciloscopio el rizado aumenta a niveles inaceptables, este nivel de rizado nos va a volver loca la pantalla táctil ademas de estresar los circuitos reguladores de la tablet.



A 1800 ma/h el cargador se apaga, no es necesario mostrar el gráfico del osciloscopio ya que el voltaje es 0 voltios




Ahora lo testeamos a 110V, no lo hare a 1200 ma/h como antes ya que a 110V la capacidad de este cargador baja drasticamente y se apaga, en este caso voy a testear la capacidad máxima que da el cargador a 110V con una salida aceptable a 4.7V , en este caso nos da solo 770 ma/h. En el gráfico del osciloscopio nos da un alto rizado.




A 110V testeandolo con una carga de 1000 ma/h nos da un voltaje de solo 2.4V lo cual no va a servir para nada. El gráfico del osciloscopio juzguen ustedes mismos.

TEST CARGADOR ACEPTABLE




Ahora hacemos el test a 220V y una carga de 1200 ma/h, aunque el ruido es alto comparado con un cargador de marca reconocida, para un uso normal es aceptable, también vemos no hay rizado. En la carga digital vemos maneja un voltaje de 4.9V lo cual significa esta regulando bien (recordemos el cableado de la carga digital tiene una perdida de 0.1-0.2V)




Ahora hacemos el test a 220V y una carga de 1400 mah, a diferencia del cargador barato el nivel de ruido sigue muy similar que a 1200 ma/h ademas de no presentar rizado. En la carga digital nos sigue dando un muy buen voltaje.




Ahora lo testeamos a la capacidad marcada en la etiqueta del cargador 2000 ma/h. Aunque el ruido aumenta un poco sigue siendo un nivel manejable, ademas no se presenta rizado. En la carga digital vemos que aunque el voltaje baja 0.1V sigue siendo muy bueno. Esto significa este cargador si es realmente de 2000 ma/h de capacidad.




Por ultimo lo testeamos a 110V a una carga de 2000 ma/h, como vemos este cargador no varia su capacidad ya sea lo conectemos a 110V o 220V.Los cargadores económicos en cambio varían la capacidad dependiendo del voltaje de entrada

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Notas:

En algunos cargadores el oscilador mosfet y el circuito controlador del oscilador están incorporados en un integrado, algunos integrados incluyen incluso el puente de diodos.

Algunos cargadores poseen un condensador entre el área alterna y el área de corriente directa del cargador, esto con el fin de minimizar la interferencia emitida (EMI).

Algunos cargadores incluyen un circuito que emite una señal sobre el puerto usb para que el aparato inicie la carga a alta velocidad (productos apple por ejemplo)

cargadores


Espero que les haya servido la informacion.

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