Вампирчик-Цифра v.6. Часть 1 Дата: 26.06.2016 Раздел: Обзоры и тесты
Обзор накопителя "Вампирчик-Цифра" 6-й версии.
Введение.
Полтора месяца назад наконец-то стала доступной шестая версия накопителя (powerbank’а) «Вампирчик-Цифра» (далее ВЦ6). В данной статье постараюсь подробно описать данную "игрушку". Тем более, что устройство получилось неоднозначное – с одной стороны, несколько полезных улучшений, с другой – есть некоторые недоработки и даже ухудшение некоторых характеристик по сравнению с предыдущей 5-й версией.
Вообще, история разработки 6й версии, которая затянулась почти на два года стоит отдельного рассказа, как пример эволюции целей разработки. Когда вначале ставилась задача впихнуть в старый корпус как можно больше дополнительных возможностей, как эта задача оказалась нерешаемой при сохранении требований простоты и надежности, и как эта задача сменилась на задачу достижения максимальной простоты при расширении функционала предыдущей версии. В итоге получилось устройство лишь незначительно сложнее , но и дополнительные возможности появились.
В этой первой части статьи будет мало цифр, в основном, описание элементов ВЦ6 и для чего они нужны. Цифры и измерения оставим для второй части.
Итак, начнем’с.
Общая идея накопителей серии Вампирчик состоит в создании максимально универсального устройства, которое одно могло бы заряжать большинство гаджетов, которые могут быть у человека «на природе». При этом накопитель должен уметь сам заряжаться от большинства источников энергии, доступных туристу. А также иметь максимальное количество защит для исключения случайного повреждения, т.к. «в лесу» заменить его будет нечем.
В конечном итоге, получился некий универсальный «блок питания на батарейках» с помощью которого, разбирающийся «в электричестве» человек сможет зарядить почти все свои маломощные (до 12Вт) устройства. Даже интерфейс стал напоминать лабораторный блок питания с его двумя ручками регулировки тока и напряжения и индикатором.
Внешний вид 6-го вампирчика почти не изменился относительно 5-го, т.к. используется всё тот же корпус.
Рис.1. Внешний вид 5-й (слева) и 6-й версий.
Далее несколько фото ВЦ6 с разных сторон.
Рис.2.а. Вид с закрытой крышкой.
Рис.2.б. Выходные разъёмы.
Рис.2.в. Левый бок. Кнопки отключения и включения выходного преобразователя.
Рис.2.г. Правый бок. Фонарь и кнопка его включения.
Рис.2.д. Нижний торец. Входные разъёмы. Индикаторы заряда. ДИП переключатель режима зарядки и настройки уровня МРРТ.
Структурная схема ВЦ6 показана на рисунке ниже.
Рис.3. Структурная схема ВЦ6.
Идеология осталась прежней с предыдущей версией. Есть два внутренних аккумулятора, которые заряжаются схемой зарядки, от этих аккумуляторов через повышающий преобразователь питается нагрузка. Зарядная и выходная части независимы и могут работать как отдельно, так и одновременно.
Подобную структуру имеют практически все существующие накопители, хотя, не все из них допускают одновременную работу на заряд и отдачу мощности. Достоинство такой схемы – простота и возможность наращивать ёмкость, подключая параллельно нужное количество аккумуляторов. Недостаток – повышенные потери (около 40%), т.к. происходит двойное преобразование (сначала понижаем, затем повышаем).
В общем, как сказал, схема похожа на большинство существующих повербанков. Но, как говорится «дьявол кроется в деталях», которые рассмотрим чуть ниже, а пока – основные характеристики ВЦ6.
1. Напряжение зарядки 4.8…25В. 2. Выходное напряжение 4…15.5В. 3. максимальный выходной ток до 2.2А при 5В, до 1.1А при 12В. 4. Выходная мощность 0…12Вт. 5. Мощность потребляемая при зарядке 0...10Вт 6. Ёмкость внутренних аккумуляторов 2х3000мАч=6000мАч при 3.7В. (либо 2х3400мАч) 7. Размеры 135х70х24 мм 8. Вес с 2мя аккумуляторами 230г.
Описание деталей.
Аккумуляторы.
Внутри ВЦ6 стоят два стандартных LiIon аккумулятора размера 18650 (18 мм диаметром, 65 мм длиной). Аккумуляторы сменные и пользователь может их заменить самостоятельно.
Конечно, два аккумулятора для современных прожорливых гаджетов совсем немного, поэтому к ВЦ6 возможно подключить внешний блок аккумуляторов. Ёмкость внешнего блока может быть любой, главное, чтобы это были литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы с напряжением 3.6...3.7В. Внешние аккумуляторы подключаются с помощью круглого разъема, расположенного в нижней части корпуса.
Рис.4. Круглый разъём для подключения внешних аккумуляторов.
Внешние аккумуляторы подключаются параллельно внутренним и заряжаются ВЦ6 как родные, просто, зарядка длится дольше, пропорционально добавленной ёмкости.
Если внешний блок аккумуляторов не подключен, то для исключения замыканий в выходном разъёме предусмотрен сдвоенный джампер, размыкающий плюсовой выходной контакт разъема и плюс внутренних аккумуляторов.
В настоящее время прорабатывается возможность изготовления корпуса для внешнего аккумулятора. Примерный вид такого корпуса показан на фото ниже.
Рис.5. Корпус для внешнего аккумулятора.
Рис.6. Вампирчик с блоком внешних аккумуляторов.
Вес корпуса всего около 40г, что совсем не много для такого размера.
Зарядная часть.
Аккумуляторы заряжаются схемой зарядки, которая состоит из двух частей (см.Рис.3):
Импульсный понижающий преобразователь, для уменьшения числа элементов, выполнен на одной микросхеме XL4005, вместо схемы на дискретных элементах, как это было в ВЦ5. Преобразователь почти без потерь (с КПД около 90%) понижает напряжение источника питания примерно до 3.5...5В в зависимости от режима зарядки и уровня заряженности аккумуляторов.
Далее это напряжение поступает на вход микросхемы линейного зарядника, который представляет собой две микросхемы типа ТР4056, которые подключены параллельно, для получения тока зарядки около 1.8А (одна микросхема может отдавать не более 1А).
Поскольку зарядник линейный, то на ТР4056 может выделяться довольно большая мощность, пропорциональная разности напряжений на её входе и выходе, помноженной на зарядный ток. В стандартном варианте использования этой микросхемы на её вход подается напряжение 5В, но на полностью разряженном аккумуляторе может быть и 3В, т.е. разницу в 2В или почти треть мощности мы должны были бы рассеять в тепло в худшем случае (в среднем, меньше). Мало того, что это расточительно, но также перегревает плату и аккумуляторы внутри закрытого корпуса, что им совсем не полезно.
Чтобы избежать излишних потерь (и нагрева) в ВЦ6 применена следящая схема, которая поддерживает разность напряжений между входом и выходом линейного зарядника на уровне около 0.45В, что в разы сокращает потери по сравнению с типовой схемой применения ТР4056.
Спрашивается, а зачем мы вообще применили линейный зарядник, ведь в предыдущей версии вампирчика его не было? В 5й версии вся зарядная часть была чисто импульсная и общие потери при зарядке были 5...15%, не более.
Основная причина – желание упростить схему, убрать операцию настройки при изготовлении платы, получить четкую индикацию конца зарядки, полное отключение аккумуляторов после заряда и зарядку безопасным малым током для «пустых» аккумуляторов.
К тому же, в качестве бонуса, мы получили возможность использовать импульсную часть схемы зарядки для питания USB гаджетов напрямую от внешнего источника! Поскольку линейная часть может работать от 5 В, то эти 5В логично было вывести на "большой" USB разъем в нижней части корпуса и питать от него гаджеты. Т.е. внутри "Вампирчика" есть независимый понижающий стабилизатор для прямого питания гаджетов.
Причем, мощность импульсной понижайки достаточно велика, она без проблем обеспечивает ток до 3А, что хватит любому USB устройству. А, вообще, кратковременно ток может достигать уровня 5..6А. Но чем больше ток, тем больше нагрев и. реально, долговременный ток понижающего стабилизатора не должен превышать примерно 3А. Причем, из них 1.8А будет уходить на зарядку своих внутренних аккумуляторов, пока они не наполнятся.
Таким образом, зарядная часть может работать либо в режиме минимальных потерь (назовем его «эко-режим»), либо в режиме с прямым питанием внешних USB гажетов (режим «стабилизатора»). Переключение между этими режимами выполняется вручную с помощью ДИП-переключателя на нижнем торце корпуса.
Предполагается, что «эко-режим» - основной режим работы. А режим «стабилизатора» используется как резервный, на случай повреждения повышающей части, либо аккумуляторов, поскольку в этом режиме при зарядке внутренних аккумуляторов выделяется много тепла. Поэтому рекомендуется заряжать внутренние аккумуляторы в "эко-режиме", а режим "стабилизатора" включать (если он нужен) когда аккумуляторы уже заряжены.
Рис.7. ДИП - переключатель режима работы зарядной части.
1-й переключатель задает режим «стабилизатор/эко-режим». 2-й переключатель включает режим МРРТ. Синий подстроечный резистор справа – настраивает уровень напряжения МРРТ.
Возможности МРРТ (maximum power point traker).
В ВЦ6 как и в более ранних версиях, предусмотрена возможность настройки на точку максимальной мощности солнечной батареи. Но если в предыдущей 5й версии настройка была фиксированной на солнечные батареи с рабочим напряжением примерно 5, 13 и 17В, то ВЦ6 можно настроить на любую солнечную батарею с рабочим напряжением от 5 до 20В.
На самом деле, это не истинный МРРТ, т.е. схема не ищет самостоятельно рабочую точку солнечной батареи, а мы ей указываем положение этой точки максимальной мощности исходя либо из паспортных данных на солнечную батарею, либо ориентируясь на максимум тока зарядки внутренних аккумуляторов, который показывается на индикаторе "Вампирчика". Такой вариант настройки на рабочую точку солнечной батареи является вполне допустимым, т.к. в реале напряжение максимальной мощности не слишком сильно снижается от освещенности и температуры. Примерно на десяток-другой процентов, максимум. А график мощности около максимума имеет "плоскую" вершину и небольшие отступления от нее не сильно уменьшают реальную мощность, снимаемую с батареи.
Настройка выполняется с помощью подстроечного резистора на нижнем торце корпуса (синий слева от ДИП переключателя). Режим МРРТ может быть включен/отключен ДИП переключателем на нижней части корпуса (см. Рис.7).
Лирическое отступление. Краткий ликбез, зачем все это нужно.
Как известно, паспортную (максимальную) мощность с солнечной батареи можно снять если напряжение на ней при ее работе будет равно её "напряжению максимальной мощности" или, другой термин - "рабочему напряжению".
Когда мы подключаем к солнечной батарее достаточно мощную нагрузку, то напряжение на ней может опуститься намного ниже, чем "рабочее", и при этом батарея будет отдавать уже гораздо меньшую (может и в разы) мощность, чем могла бы при данном освещении.
Т.о. чтобы снять с солнечной батареи максимум, нагрузке надо ограничить свои "аппетиты" и не допускать, чтобы напряжение на батарее опускалось слишком низко от её точки максимальной мощности. Собственно, этим и занимается схема МРРТ – регулирует количество тока, забираемого нагрузкой, чтобы не слишком перегружать солнечную батарею, чтобы напряжение на ней не падало слишком сильно, а держалось около "рабочего".
Т.е. когда мы в «Вампирчике» настраиваем рабочую точку - мы устанавливаем напряжение начала зарядки ВЦ. Т.е. ниже этого напряжения он ток не берет, выше, берет сколько может. Переход между этими состояниями плавный, поэтому, когда ВЦ подключен к солнечной батарее, то автоматически устанавливается баланс между возможностями этой батареи и "аппетитами" ВЦ. и напряжение на солнечной батарее будет поддерживаться равным установленному нами порогу.
Универсальный вход.
Рис.8. Универсальный вход, круглый 5.5х2.1мм.
В ВЦ6, в отличие от ВЦ5 (где было два отдельных входа) на вход зарядки можно подавать как постоянное напряжение, например, от солнечной батареи, так и переменное от динамовтулки. Такую возможность нам даёт полуактивный выпрямитель на входе ВЦ6.
Почему полуактивный? Как обычно – для упрощения схемы. Активный выпрямитель - много деталей, простой мост - много потерь. Выбираем нечто посередине.
Выпрямитель представляет собой диодный мост, одна из диагоналей которого может шунтироваться полевыми транзисторами для снижения потерь. Т.е. при питании переменным током от динамовтулки полевики в работе не участвуют и весь ток зарядки проходит только через диоды моста. Это вполне допустимо, т.к. мощность втулки обычно невелика (2..3Вт) и поэтому дополнительный нагрев от диодов будет незначительным.
При подключении же источника постоянного тока «правильной» полярности (плюс на центральном штырьке) включаются полевые ключи и закорачивают соответствующие диоды моста. Потери на открытых полевиках близки к нулю и выпрямитель получается практически полностью «прозрачным» (без потерь) для постоянного тока.
При попытке подключить источник постоянного тока «обратной» полярности (минус в центре разъема) полевики остаются закрытыми и весь ток проходит через диоды моста, на которых падает примерно 1.5..2В. Зарядка, конечно, тоже идет, но нагрев схемы увеличится. Поэтому при питании постоянным током рекомендуется всегда использовать «стандартную» полярность в разъеме питания с плюсом в центре разъема.
После выпрямителя стоит защита от перенапряжений и ограничитель напряжения, который защищает импульсный преобразователь зарядной части.
Другие входы зарядки.
Слева на Рис.8. показан вход микро USB. Этот вход через последовательный диод соединен с линейным зарядником.
Над разъемом микро USB расположены светодиоды индикации зарядки. Красный горит, когда зарядка идет, зелёный – когда закончена.
Справа на Рис.8 виден полноразмерный USB разъём контакты которого идут на линейный зарядник напрямую (либо, что то же самое, на выход импульсной входной понижайки). Т.е. если понижайка работает, то с разъема можно отбирать мощность, если не работает, то через этот разъем можно подавать напряжение на линейную часть для зарядки внутренних аккумуляторов.
Внутри корпуса также есть джампер, который позволяет отключить этот "нижний" USB разъём от понижайки и подсоединить его параллельно "верхнему" USB разъему, на который выведено напряжение внутреннего повышающего преобразователя.
В этом случае мы имеем два стандартных "больших" USB разъема, к которым можно подключить два гаджета одновременно, питая их от внутренних аккумуляторов. Вторая причина полезности второго разъема – снижение износа разъемов, т.к. со временем любой из них разбалтывается. В-третьих, ножки данных USB разъемов можно по отдельности настроить на совместимость с разными типами гаджетов (описано будет ниже). И, в-четвертых, иногда полезно иметь все входные и выходные разъёмы на одном торце, например, при расположении ВЦ6 в сумке.
Т.е. получился некий универсальный USB вход/выход, который можно настроить под свои нужды.
Продолжение следует....
Автор: Николай Носов 26.06.16
Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .
