Рассмотрены особенности различных адаптеров, которые можно использовать для питания своих гаджетов от солнечных батарей, автоприкуривателя или другого источника постоянного напряжения. Проведены реальные измерения характеристик, о чём никогда не скажут производители и продавцы. Построены графики КПД разных типов стабилизаторов. Даны рекомендации по грамотному выбору и использованию этих адаптеров.
Поделиться этой страницей в:
Введние.
Необходимость в данном тесте возникла, когда число моделей различных адаптеров-стабилизаторов на сайте превысило некую критическую массу, чтобы возник логичный вопрос: а какой же из них выбрать? Ведь, цена между самым дешевым и дорогим различается в 4 раза.
В принципе, все эти адаптеры выполняют одну и ту же задачу - получить стабильное выходное напряжение, обычно 5В для USB-выхода, от более высокого входного, обычно 12В из автоприкуривателя или солнечной батареи. Все эти стабилизаторы понижающие, т.е. напряжение на входе у них должно быть всегда больше, чем на выходе.
Стабилизаторы, что вставляются в разъём автоприкуривателя обычно называют "автомобильный USB адаптер". Мы будем использовать оба термина, и стабилизатор, и адаптер, как эквивалентные, т.к. суть их работы одна - понизить более высокое входное напряжение до заданного (стабильного) выходного.
Конечно, в природе, существует гораздо большее количество различных их типов, но все они очень похожи по характеристикам и различаются, часто, только формой корпуса. Кроме того, в обзоре участвуют только стабилизаторы импульсного типа, как наиболее экономичные в плане потерь энергии и наиболее распространенные.
Из рассмотренных, универсальный стабилизатор и стабилизаторы-кабели выпускаются "vampirchik-sun", остальные - "Made in China" (noname, Robiton и S-Itech).
Итак, групповое фото нашей команды, представлено ниже.
1. Слева внизу на фото находится . 2. Над ним . 3. USB-адаптер в прикуриватель "" (розовый). 4. USB-адаптер в прикуриватель (белый). 5. USB-адаптер в прикуриватель "" (черный).
Первые два типа имеют на входе разъём питания 5.5х2.1мм, все остальные вставляются в разъём автомобильного прикуривателя.
Габариты стабилизаторов различаются не слишком сильно, поэтому далее мы их не учитываем, также, как и вес, который лежит в пределах 20...40г.
Названия "Пробка" и "Косточка", конечно, условные - думаю, так будет удобнее, чем писать труднозапоминаемый их тип - ТХ013 и РС-829.
Паспортные характеристики адаптеров приведены в Таблице 1.
Разработан "Vampirchik-sun" специально для работы с солнечными батареями или любыми другими устройствами постоянного тока.
Пользователь имеет возможность выставить любое выходное напряжение в диапазоне от 3 до 16В. А также может искусственно ограничить максимальный выходной ток на уровне 0.5А или 1.5А, чтобы подстроиться под потребности различных устройств.
Имеет настройки для оптимизации работы с солнечной батареей - возможность подстроиться под точку максимальной мощности солнечной батареи, чтобы брать от неё максимум, что он может дать при данном освещении.
2. Стабилизатор-кабель.
Урезанная, с точки зрения возможности регулировок, версия универсального стабилизатора, в которой настройки уже жестко "защиты" в конструкцию и пользователь изменить их не может. Имеются 4 типа, различающиеся цветом оболочки, настроенные на работу от солнечных батарей 6 и 12В, и с максимальным током 0.5А и 1.5А.
Стабилизаторы-кабели с входным напряжением от 6В и выше функционально являются аналогами ниже расположенных USB-адаптеров, и тоже выдают USB-напряжение от источника постоянного тока 5...25В.
3. Автомобильный адаптер "Пробка".
Простая понижающая схема, которая делает из входного напряжения 10...24В постоянное 5В. Подробнее о схеме ниже.
3. Автомобильный адаптер Robiton.
Достаточно мощная схема, предназначенная для питания планшетов типа iPad и т.п.
3. Автомобильный адаптер "Косточка".
Параметры аналогичны "Пробке", просто, в другом корпусе.
Все стабилизаторы имею встроенную защиту от короткого замыкания, дальше мы её касаться не будем.
Тесты.
Соответствие заявленным параметрам.
Посмотрим, насколько характеристики, заявленные производителями, соответствуют реальным. Измерим выходное напряжение и максимальный ток, который могут отдавать эти адаптеры.Входное напряжение было равным 12.5В, что подходит для всех тестируемых адаптеров.
Таблица 2. Выходные характеристики.
Максимальный выходной ток определялся по снижению выходного напряжения до уровня 4.9В, либо когда срабатывала защита адаптера. Нагрузкой служил переменный резистор.
Как видим из таблицы, соответствуют или превышают свои характеристики все стабилизаторы, кроме стабилизатора "Пробка", который отдаёт примерно на 10% меньше тока, чем заявлено.
Минимальное напряжение, при котором стабилизаторы отдают ток около 300мА составило для:
300мА было взято как условный средний ток зарядки простого сотового телефона, т.е. достаточно маломощного устройства, но часто используемого.
Пульсации выходного напряжения.
Поскольку стабилизаторы импульсные, то на их выходе всегда присутствуют пульсации выходного напряжения. И чем они меньше, тем лучше. Весьма интересно будет глянуть на величину этих пульсаций в зависимости от нагрузки. Измерялся размах пульсаций "от пика до пика" (pic-to-pic).
Таблица 3. Пульсации выходного напряжения.
С точки зрения пульсаций, хуже всего себя проявил адаптер от Robiton - пульсация составляла до 10 и более процентов от выходного напряжения. Никуда не годится! Хотя, на малых токах, примерно, до 0.4А она была меньше, чем у остальных адаптеров. А при больших токах была совершенно непредсказуема и могла меняться от 0.2 до 0.8В в зависимости от нагрузки.
Вероятно, этот адаптер предполагает работу на ёмкостную нагрузку, которая может сделать его выход более стабильным. Его частота работы около 300кГц, в отличие от других: у стабилизаторов-кабелей и универсального - около 100кГц, у "пробки" - около 60кГц, у "косточки" - около 30кГц.
Универсальный стабилизатор со снятым джампером тока (ограничение до 0.5А) ведёт себя с точки зрения пульсаций как "желтый" стабилизатор-кабель (0.5А), т.е. пульсации не более 0.1В (р-р) во всём диапазоне нагрузок.
Коэффициент полезного действия (КПД).
Для стабилизаторов, работающих в полевых условиях, весьма важной характеристикой является КПД, т.е. та доля энергии, которую адаптер отдаёт в нагрузку. КПД желательно иметь чем больше, тем лучше, в идеале 100%.
Оценим КПД адаптеров. Он, в основном, зависит от схемы адаптера, от напряжения питания и выходного тока. Рассмотрим зависимость КПД от выходного тока при фиксированном напряжении питания, равным 12.5В для всех адаптеров. Работу от напряжения 7В проверим только для универсального стабилизатора и адаптера от Robiton, который, как оказалось, прекрасно работает и от более низких напряжений, вплоть до 5В, несмотря на то, что на нем написан минимальный нижний порог напряжения питания в 12В.
Таблица 4. Коэффициент полезного действия.
КПД стабилизаторов-кабелей не измерялся, т.к. они имеют одинаковую схему с универсальным и характеристики стабилизаторов-кабелей будут эквивалентны универсальному при его соответствующих настройках.
КПД в 98% полученный для адаптера от Robiton, скорее всего, связан с погрешностью измерений при больших пульсациях выходного напряжения. Но всё равно, средний КПД этого адаптера весьма высок.
Данные таблицы можно представить графически, что нагляднее.
Рис.2. КПД стабилизаторов в зависимости от выходного тока при двух напряжениях питания.
Как видим, все стабилизаторы имеют достаточно монотонные (как и положено) характеристики, кроме Robiton'а. Думаю, такие колебания измеренных значений КПД вызваны погрешностью измерений, т.к. этот адаптер имеет очень большую и нестабильную пульсацию выходного напряжения. Поэтому достоверность данных по этому устройству невелика.
Наиболее равномерную характеристику имеет универсальный стабилизатор (и стабилизаторы-кабели, собранные по такой же схеме). И КПД этих стабилизаторов достаточно высок, как видно из графика.
С понижением напряжения питания стабилизаторов их КПД растёт и превышает 90%. Здесь также универсальный стабилизатор (и стаб.-кабели) имеют плоскую характеристику почти во всем диапазоне нагрузок. Рекорды по КПД ставит адаптер от Robiton, но достоверность данных, как уже писал, невысока.
Простые стабилизаторы, типа "Пробки" или "Косточки" достаточно расточительны, поскольку они рассчитаны для работы от автомобильного прикуривателя, который является мощным источником и экономить энергию в нём не имеет большого резона.
Поскольку все стабилизаторы, кроме универсального не выдают напряжение выше 5В, то измерение КПД при более высоких выходных напряжениях отдельно для универсального стабилизатора не проводились. Однако, с ростом выходного напряжения, как известно, КПД также будет расти.
Конструкция.
Рассмотрим теперь стабилизаторы изнутри.
1. Универсальный стабилизатор.
Рис.3. Универсальный стабилизатор напряжения.
Особенности:
1. Широкий диапазон входного напряжения - от 5 до 25В.
2. Широкий диапазон выходного напряжения - от 3 до 16В.
3. Возможность выставить ограничение выходного тока на уровне 0.5А или 1.5А.
Это важно при зарядке, например, некоторых моделей сотовых телефонов, которые не имеют собственного ограничителя тока и при зарядке большим током могут сгореть. Большой же ток до 1.5А позволяет заряжать от стабилизатора весьма мощных потребителей - те же iPad'ы и другие планшеты и даже нетбуки.
4. Стабилизатор может быть настроен на точку максимальной мощности солнечной батареи.
Поддерживаются батареи со следующим рабочим напряжением 6В, 9В, 12В, 17В, т.е. все стандартные напряжения.
5. Защита входа и выхода от перепутки полярности при подключении.
Такой защиты ни один из рассмотренных в данной статье типов стабилизаторов не имеет. Т.е. повышается надежность использования данного устройства, его весьма сложно спалить. Защита выполнена на полевых транзисторах, поэтому практически не вносит никаких дополнительных потерь.
6. Может выдерживать неограниченно долгое короткое замыкание выхода.
7. Диапазон рабочих температур - от -40 до 60 гр.С
В качестве управляющей микросхемы используется распространённый ШИМ-контроллер MC33063, но силовые элементы дискретные - полевой транзистор с током стока до 20А, диод Шоттки на 3А и индуктивность на ток 2.2А.
Выходное напряжение задается с помощью ДИП-переключателя (красный на рисунке) и переменного резистора (синий). Настройка на рабочую точку солнечной батареи и ограничение выходного тока выполняется с помощью джамперов.
Помимо USB разъема имеет еще также два дополнительных круглых.
Стабилизатор-кабель.
Рис.4. Стабилизатор-кабель. Вид платы без оболочки.
Отличие стабилизатора-кабеля от универсального, в том, что он имеет только одно фиксированное выходное напряжение - 5.4В на единственно выходном USB-разъёме. Также фиксирован максимальный выходной ток на уровне 0.5А или 1.5А, и стабилизаторы могут выпускаться настроенными на солнечные батареи с рабочим напряжением 6 или 12В.
Настройка на рабочее напряжение солнечной батареи не означает, что стабилизатор не может питаться от источников постоянного тока с другим напряжением. Она говорит лишь о том, что стабилизатор "не видит" источники с напряжением ниже заданного - 5 или 11В, выше, пожалуйста. Это свойство, прекращать работу если напряжение на входе упало ниже заданного порога, удобно использовать при питании стабилизатора от 6 или 12В аккумуляторов. Т.е. в этом случае, стабилизатор не разряжает аккумулятор ниже 5 или 11В, не портит его.
Также, как и универсальный стабилизатор, стабилизатор-кабель может работать в широком диапазоне температур - от -40 до +60гр.С. Печатная плата в нём, также как и в универсальном, покрыта лаком.
Лак обеспечивает не только защиту от влаги, но и улучшает теплообмен между элементами, т.е., фактически, сама плата и элементы становятся радиатором, не допуская перегрева, что важно, т.к., как известно из теории надежности, увеличение температуры на каждые 10 гр.С приводит к двукратному понижению надёжности схемы. И лак нам позволяет минимизировать нагрев.
Схема стабилизатора-кабеля близка к приведенной на Рис.2.5 статьи ""
Стабилизатор "Пробка".
Рис.5. Стабилизатор "Пробка" в разобранном виде.
Рис.6. Вид платы снизу и сверху.
Стабилизатор собран на микросхеме MC34063 (вариант MC33063 с коммерческим температурным диапазоном 0...70гр.С) по классической схеме понижающего импульсного стабилизатора. Схема практически аналогична приведенной на Рис.2.3 статьи "".
Температурный диапазон этого адаптера от 0 до 60 гр.С. Однако, реально, думаю, она и до -20 холода выдержит. А вот в жару её характеристики весьма посредственны, особенно при больших нагрузках 0.5А и выше, т.к. силовые элементы взяты совсем без запаса - при токах выше 0.5А они могут раскаляться выше 100гр.С, что достаточно быстро приведёт к выходу адаптера из строя.
Т.е. назначение адаптера - зарядка сотовых телефонов и других мелких потребителей.
Ни о каких настройках под солнечную батарею или других регулировках речи не идёт, впрочем, как и во всех остальных оставшихся стабилизаторах. Защиты лаком тоже нет, хорошо, хоть плату, кажется, помыли, хотя, и не слишком чисто.
Адаптер Robiton.
Увы, разобрать адаптер от Robiton не удалось, корпус у него склеен и его нужно просто разламывать, чтобы добраться до внутренностей - жалко.
Однако, по измеренным выше характеристикам, можно сделать некоторые выводы.
Есть вероятность, что там использована не классическая схема понижающего стабилизатора, а синхронная, в которой силовой диод заменён на полевой транзистор. Это позволяет заметно поднять КПД схемы, т.к. при низких выходных напряжениях, диод один из главных источников потерь.
Косвенно это подтверждается ещё и тем, что производитель указал достаточно низкий верхний порог допустимого напряжения питания - 13.8В. Синхронные схемы обычно низковольтные и, хотя и существуют более высоковольтные микросхемы, но они дороже, а китайцы, как известно, экономят на всём.
Приятной неожиданностью оказалось, что нижний порог работы схемы не 12В, как заявлено, а всего 5В входного напряжения. Конечно, при таком напряжении она полную мощность не отдает, а лишь начиная с 7В и выше, но и это хорошо. Правда, при напряжении примерно с 9 до 11В адаптер издает "неприличные" звуки, видимо, возбуждаясь, т.е. схема нестабильна.
Но из-за этого свойства работать до 5В адаптер нежелательно использовать с солнечными батареями с выходом 12В или выше. Потому что он, всё равно, "просадит" напряжение на них до 5...6В и 12В солнечная батарея будет отдавать лишь половину того, что могла бы при данном освещении. Фактически, по характеристикам, этот адаптер - более мощный аналог "синего" стабилизатора-кабеля с выходом 1.5А для шестивольтовой солнечной батареи.
Неожиданным минусом этого стабилизатора явились огромные пульсации выходного напряжения, причём, нелинейно зависящие от выходного тока.
Плюсом же явился максимальный, среди рассмотренных, выходной ток - штатно до 2.1А, а кратковременно - до 3А пока не начала срабатывать защита по току.
С другой стороны, большой ток может испортить некоторые сотовые телефоны и других маломощных потребителей.
В общем, противоречивое устройство.
Адаптер "Косточка".
Рис.7. Плата адаптера без корпуса. Снизу платы элементов нет.
Адаптер выполнен на той же самой MC34063, что и адаптер "Пробка", и, похоже, его схема такая же. Только вместо ЧИП элементов использованы навесные. Несмотря на это, эта плата оставляет впечатление более качественной, может быть потому, что лучше промыта. Да и элементам больше места, поэтому они будут чуть лучше охлаждаться, чем в "Пробке".
Все остальные выводы, касающиеся адаптера "Пробка" относятся и к этому.
Замечу, что ножки данных в USB-разъёме у данного стабилизатора (и у "Пробки" тоже) соединены между собой и подключены к средней точке делителя напряжения, подключенного между +5В и "землей". Таким образом, на этих ножках "сидит" примерно +2В и потребитель понимает, что можно брать ток до 0.5А. И это правильное решение. Однако, для питания гаджетов от Apple этого может быть недостаточно и они могут отказаться заряжаться от данного адаптера. При покупке лучше проверить.
Для питания Apple обычно используют разное напряжение на каждой из ножек данных. Так сделано в универсальном стабилизаторе и стабилизаторах-кабелях, от которых практически гарантированно заряжаются любые гаджеты, в том числе, и от Apple.
Кстати, "Косточка" единственный из рассмотренных адаптеров, имеющий предохранитель по питанию. Это, скорее, плюс.
Выводы.
На самом деле, целью данной статьи не ставилась задача выяснить, какой же из адаптеров лучший. Скорее, нужно было показать, почему, вроде бы одинаковые по назначению устройства могут в несколько раз различаться в цене. И что пользователь получает за эту цену.
Второе - было самому любопытно измерить и сравнить между собой реальные характеристики существующих адаптеров-стабилизаторов.
Третье - показать, что работа с солнечной батареей имеет свою специфику и с ней лучше использовать стабилизаторы, разработанные специально для этой цели - это сэкономит в разы и даже десятки раз больше за счёт большей мощности, которую мы можем снимать с солнечной батареи, используя "правильный" адаптер. Да и надёжность специализированных адаптеров заметно выше, чем у массового китайского ширпотреба.
Дешевые же адаптеры можно применять, когда нет недостатка в энергии, т.е. когда солнечная батарея взята с большим запасом. А также, в качестве запасного дублирующего адаптера "на всякий случай", благо, стоят они "копейки". Либо в автомобиле, когда адаптер уже сам является "вилкой" для разъёма автоприкуривателя - "розетки".
Автор: Николай Носов 21.09.2011
Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .
На главную
