БУДЬ НА СВЯЗИ!

В наше время связь уже не роскошь, а первая необходимость. Помимо того, что, имея мобильный телефон, в большинстве случаев можно позвонить родственникам или друзьям, в каждом смартфоне (кнопочный мобильник нынче редкость) есть функции карты или даже компаса. Одна беда: емкость аккумулятора устройства — параметр довольно ограниченный. Особенно остро это ощущается в походах, поездках — словом, в полевых условиях, когда нет возможности оперативно подзарядить батарею. В наших краях это вдвойне актуально: у нас полно дачных поселков, но электроснабжение есть далеко не везде. Но даже там, где оно присутствует, электричество порой отключают на несколько дней, так что взятый с собой сетевой адаптер оказывается бесполезной вещью. Кроме того, с годами смартфон держит заряд все хуже и хуже, и я уже несколько раз оказывался вдали от дома с «севшим» телефоном.

Конечно, существуют дополнительные аккумуляторы (power bank), позволяющие увеличить автономность работы телефона, но это аксессуар, который нужно специально приобретать, и кроме как для зарядки мобильника, он никуда не годится. К тому же по-настоящему компактные модели не обладают достаточной емкостью, а те, что помощнее, имеют внушительные размеры и вес, да и стоят они дорого.

В общем, я озадачился возможностью зарядить свой смартфон от большинства аккумуляторов, которые могут оказаться под рукой. Это может быть батарея фотоаппарата, ноутбука, шуруповерта и проч. Напряжение таких источников питания колеблется в диапазоне от 8 до 30 В, но на выходе нам требуются необходимые для питания телефона 5 В. Подключение через универсальный USB разъем позволит заряжать мобильное устройство с любым портом зарядки. Разумеется, «зарядник» должен быть достаточно легким и компактным, чтобы носить его можно было даже в кармане.

Адаптер будет работать с приличными зарядными токами (2-5 А), которые могли бы повредить его схему, да и сам заряжаемый телефон. Данный риск нивелируется применением в силовых цепях радиодеталей с двух-трехкратным запасом по мощности.

В радиотехнической литературе и на просторах Интернета можно найти немало схем стабилизаторов напряжения. Однако начинающим радиолюбителям они кажутся довольно сложными, поскольку реализованы из множества дискретных элементов. Простейшие же схемы стабилизаторов имеют худшие характеристики, т.к. во время работы плохо поддерживают заданные параметры. Это значит, что у них столь нужное выходное напряжение начинает «уходить» в большую или меньшую сторону при изменении каких-либо факторов на входе или температуры радиоэлементов.

В поисках простых схемных решений я обратил внимание на готовые интегральные микросхемы (ИМС), где вся электроника уже выполнена в виде единого чипа на пластине для крепления к теплоотводу. Речь идет о популярной среди радиолюбителей серии микросхем-стабилизаторов семейства КРЕН, выпускавшихся на разные напряжения. Для моих нужд подходит 5-вольтовая версия этой ИМС.

Однако на данный момент отечественные ИМС найти непросто. Проще достать их импортные аналоги семейства L78XX, где XX обозначает напряжение стабилизации. Для своих целей я выбрал ИМС L7805. Это так называемый «полный» аналог отечественной КР142ЕН5А, те совпадает не только внешний вид, но и назначение контактов. Некоторые отличия могут быть лишь по температурным и электрическим нагрузочным характеристикам.

ИМС-стабилизаторы семейства L78ХХ выпускаются на определенные значения выходных напряжений: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 и 24 вольта. Но адаптеры так называемой «быстрой» зарядки выдают не ровно 5 вольт, а 5,25 В. Это понятно, ведь для протекания тока необходим перепад напряжений. Значит, надо «заставить» микросхему L7805 повысить свое выходное напряжение. Оказывается, эта ИМС на основании напряжения на ножке «земля» формирует точку отсчета напряжения, которое надо стабилизировать. Следовательно, если сместить потенциометром напряжение на этой ножке, то и фиксированное схемой выходное напряжение тоже сместится (в большую сторону). Практически можно получать любые значения выходных напряжений в пределах характеристик ИМС-стабилизатора. Я даже собрал пробную схему, чтобы это проверить. При увеличении сопротивления потенциометра Rп плавно изменялось и Uвых от исходных 5 В почти до Uвх.

Данная ИМС имеет ограничение по максимальному току — всего 1,5 ампера. Этого явно недостаточно для зарядки смартфона, необходимо увеличить данный параметр. При этом ИМС не должна работать на пределе, иначе надежность устройства будет крайне низкой, да и возникает риск испортить заряжаемый прибор.

Как получить больше мощности и не сжечь микросхему? С данной задачей радиолюбители сталкивались и ранее, и тут есть два пути. Первый заключается в дублировании ИМС параллельным включением. Общий ток при этом разделяется на несколько ветвей, снижая нагрузку на каждый стабилизатор. Однако в этом решении есть существенные недостатки. Во-первых, из-за некоторого расхождения параметров микросхем их в идеале надо балансировать между собой. Во-вторых, при выходе из строя одной ИМС вся нагрузка упадет на вторую и почти наверняка выведет ее из строя, а вместе с тем и стабилизатор в целом. Поэтому было принято другое. более удачное решение: отвести данной ИМС лишь роль управляющего элемента. При этом всю нагрузку на себя берет силовой транзистор, подчиненный интегральному стабилизатору. При такой компоновке токи нагрузки уже текут только через силовой транзистор, а ИМС разгружена настолько, что ощутимо даже не нагревается. Введя в данную схему регулировочное сопротивление, можно получить как раз то, что требуется, а именно — мощный стабилизатор с возможностью регулировки Uвых.

Окончательная схема адаптера питания для телефона, рассчитанная на широкий диапазон входных напряжений, включает в себя плавкий предохранитель для исключения риска перегрузки адаптера по току, а также мощный диод на входе для защиты схемы при ошибке полярности подключения к источнику питания. В качестве предохранителя хорошо подойдет автомобильный предохранитель флажкового типа на 7,5-10 ампер. Что касается диода, то он должен как можно меньше нагреваться под нагрузкой и влиять на минимальное значение Uвх. Иными словами, на нем должно быть минимальное падение напряжения. Таким свойствам отвечают диоды Шоттки.

Краткие характеристики ИМС L7805

Чтобы предохранитель гарантированно успел сработать до перегрузки схемы, силовой транзистор VТ 1 должен иметь запас по току более 10 ампер. Мой выбор пал на транзистор BD911. Он достаточно популярен, дешев и малогабаритен (реализован в таком же корпусе ТО220, что и ИМС L7805). По паспорту его токовая нагрузка с использованием теплоотвода может доходить до 15 ампер!

Несмотря на различия у телефонов форматов зарядных разъемов (mini-USB, micro-USB, tуре-С и т.д ), все их кабели начинаются с классического USB-разъема. Поэтому выход моего стабилизатора также представляет собой USB-гнездо. Его можно сделать даже двойным на случай необходимости зарядки сразу двух устройств и снижения общего износа гнезд.

Схема адаптера собрана на отрезке макетной платы. При этом силовой транзистор и ИМС-стабилизатор следует прижать к теплоотводящему радиатору, хотя, как уже отмечалось выше, ИМС здесь особо и не греется. При сборке выяснилось, что коллектор транзистора и катод сдвоенного диода Шоттки удобно напрямую крепить к радиатору, т.к. на них приходится «плюс» питания схемы. Остается лишь учесть это при дальнейшем монтаже, чтобы не устроить в схеме короткое замыкание. В финале припаиваем провода с зажимами типа «крокодил» и гнездо USB согласно стандартной схеме его распайки. Схему я уложил в отрезок пластикового кабель-канала. Устройство получилось компактным и легким: всего 93 грамма.

Перечень компонентов для сборки адаптера

Собрав адаптер, конечно, захотелось убедиться в его реальной работоспособности. Вначале, чтобы не рисковать телефоном, сымитировал его присутствие, подключив к выходу адаптера лампу накаливания на 6-12 вольт, примерно на 20 ватт. Такая нагрузка обеспечивает нужное потребление тока в районе 2-3 ампер. Запитывая схему от АКБ на различные напряжения (в пределах допустимых для ИМС), откалибруем Uвых подстроечным резистором Rп до уровня 5,25 вольт. После калибровки резистор был выпаян из схемы. Его сопротивление составило 200 Ом, и он был заменен на постоянный резистор данного номинала. Именно он указан в перечне компонентов для сборки адаптера. Следует заметить, что из-за небольшого разброса параметров популярной ИМС L7805 при повторении схемы читателями возможны некоторые отличия в значении Rп для каждого конкретного случая. Из отношений мощностей на входе и выходе были получены значения КПД устройства для каждого из используемых источников питания.

Убедившись, что при подключении различных источников питания Uвых почти не отклоняется от установленного уровня в 5,25 В, попробовал заряжать свой смартфон. Работает! На практике, конечно, подключиться с помощью «крокодилов» к малогабаритным аккумуляторам фото- или видеотехники непросто. Да и емкость их, как правило, невелика, поэтому тут, наверное, придется проявить чудеса изворотливости ради того, чтобы сделать хотя бы один необходимый звонок.

Тесты адаптера с различными источниками входного напряжения

Полученные в ходе тестирования устройства данные снимают психологические опасения вывести из строя свой телефон, навигатор или планшетный компьютер из-за переизбытка напряжения. Мой адаптер в экстренных ситуациях уверенно способен зарядить телефон от большинства источников питания, которые возможно найти под рукой.

Я рассказал о карманной версии адаптера для зарядки телефона, но это далеко не единственный вариант применения стабилизатора.

В частности, данная схема была встроена в бортовую сеть мотоцикла «Kawasaki — Z1000». Порта для зарядки гаджетов в нем почему-то не предусмотрено. Владелец спортбайка использовал готовые адаптеры на 12/5 В, но они почему-то постоянно выходили из строя. Сменив три штуки, мотоциклист попросил меня собрать ему самодельный адаптер. Теперь мотоцикл на ходу поддерживает заряд телефона, используемого в качестве навигатора. Владелец проехал с нашей схемой до Приморья, объехал местные красоты и вернулся обратно: пройдено 3000 км, никаких нареканий на работу схемы не выявлено.

Еще один вариант. Из-за малой яркости и большого энергопотребления многие водители вместо штатных ходовых огней на лампах накаливания ставят более яркие и экономичные светодиодные. Это позволяет слегка уменьшить нагрузку на генератор автомобиля, а значит, и немного сэкономить топливо. Но вот беда светодиоды не переносят превышения расчетного напряжения питания, а в машинах эти превышения хоть и кратковременны, но регулярны, поэтому новых фонарей хватает на один-два сезона. Какая уж тут экономичность! В подкапотное пространство авто был встроен такой же стабилизатор, настроенный на Uвых=12 вольт и пресекающий любые попытки его превышения. Для получения на выходе 12 В понадобилось установить последовательно два резистора на 430 и 18 Ом. Замеры выходного напряжения, конечно, нужно производить не на холостом ходу, а слегка нагрузив выход стабилизатора маломощной лампой накаливания на 12 вольт. Машина используется круглый год, а значит, схема подвергается регулярным изменениям температуры от -35С°до +55С°. Все работает исправно.

Руслан КУЗНЕЦОВ, ученик 11 класса СОШ № 3 г. Амурска