El carregador USB

Pregunta: què fas quan s’ha espatllat l’entrada de corrent de la tablet de la teva filla i es posa molt pesada perquè hi vol jugar? Carregar-la per l’entrada USB, és clar! Però què passa si no tens cap carregador USB a mà? La majoria de la gent aniria a la botiga, centre comercial o “xinos” més proper i compraria un carregador, és clar. Però com que jo no sóc com la majoria de la gent, he optat per un altre camí: fer un carregador USB.

El jack del carregador es desprèn

D’entrada, com que el carregador normal funciona correctament, la resposta més adient a la pregunta seria arreglar la tablet. Però és molt nova i està en garantia, i si puc carregar-la pel port USB, m’estalvio obrir-la per si d’aquí uns dies té un problema més important que jo no pugui solucionar. O sigui que aquesta reparació la deixo per d’aquí un temps.

Com que em conec i se que aquestes coses van per llarg, he demanat un carregador USB per ebay. Us podeu creure que m’ha costat només 2€ al canvi? Mentre no arriba a la bústia (aquestes coses solen tardar entre 3 i 5 setmanes), poso a carregar la tablet al port USB de l’ordinador, i a fer un carregador s’ha dit.

L'aparell que he comprat a ebay

ANEM PER FEINA
En principi això de fer un carregador pot semblar molt fàcil, però resulta que no ho és tant. Una mica de documentació a la viquipèdia ens aporta una primera dada, aquesta ja la sabia: hi ha dos pins dels quatre que són GND i 5V, l’alimentació que l’hoste dóna als perifèrics. Els altres dos pins són D+ i D- (les dades que transporta el port), però aquests en principi no són importants; i dic en principi perquè ja veureu d’aquí un moment que no es poden oblidar i prou.

Fidel als meus principis, vaig a la caixa de recuperacions i trossos a buscar tot el que em pugui fer falta. De moment agafo un transformador d’aquells que es fan servir per fer anar petits aparells que van amb piles, dels que es pot seleccionar la tensió de sortida i mai no donen la que posa; bé, si som curosos he de dir que és una font d’alimentació no regulada, ja que té un pont de diodes i un condensador, a més del transformador. En segon lloc agafo un connector USB tipus A (veure enllaç viquipèdia anterior) femella doble, que vaig recuperar d’una placa base de PC que va morir ja fa molt de temps. També un led blau de 5mm per a panell, i un mòdul de 7805 molt bàsic que vaig fer fa temps. Consta d’una placa perforada, el propi integrat (encapsulat TO220, pot donar 1A de corrent), i els dos condensadors que recomana el datasheet. Finalment també agafo el circuit d’un carregador de mòbil (crec recordar que era Motorola o Sony Eriksson, però no n’estic segur) que, segons deia, tenia una sortida de 5V. Ara deveu estar pensant “si que hi té coses, a la caixa!”; doncs us equivoqueu, n’hi tinc més!

Connector USB doble femella Circuit de carregador de mòbil

La primera cosa que faig és mirar-me el circuit del carregador de mòbil que he trobat. Ja a primera vista sembla molt poca cosa, dubto que tingui prou potència per carregar la tablet. És una llàstima, doncs la sortida de 5V que té és perfecta pel que vull fer. Caldria veure de quanta corrent estem parlant, però sospito que una tablet deu demanar més dels 500mA que s’especifica com a màxim a les especificacions del protocol USB (de nou us remeto a l’enllaç de la viquipèdia que us he posat abans). El carregador de la tablet diu que dóna 5V i 2A, tot i que això també ho hauríem de veure, els fabricants d’electrònica de consum xinesos solen ser molt optimistes quant a les seves especificacions; tampoc vol dir que carregui igual de ràpid amb el carregador que pel port USB.

El carregador de la tablet és més gran

Només comparant el volum dels dos carregadors ja es veu que no poden tenir la mateixa potència, però abans de descartar-lo li faré una prova. Li soldo cables d’entrada i de sortida (no en tenia), i el connecto a la xarxa per saber quant dóna. Surten 8,8V, d’aquí! Segurament amb càrrega això baixa en picat, però no vull arriscar la tablet per no res. Necessito una sortida regulada a 5V, no una sortida aproximada, ni que depengui de la càrrega. O sigui que aquest trasto està descartat sense fer-li cap més prova, no val la pena perdre-hi el temps. Si vull fer un carregador regulat, he de partir d’un aparell més potent.

PRIMER INTENT
El primer muntatge que faig és molt senzill: el transformador que he trobat, més la placa amb el regulador 7805, el led (com a indicador), i el connector USB. El transformador necessita una mica de preparació, com que li falta la carcassa original no té el selector de tensió d’entrada (125V o 220V, això ha de tenir uns quants anys!), ni tampoc el de sortida; també li falta la clavilla per endollar-lo. Tot plegat ho arreglo amb el soldador i dos minuts: soldo una clavilla, uneixo els pads del selector en la posició de 220V (no crec que la de 125V la faci servir per res), i trio una de les sortides, tot mirant amb el tester que la tensió no sigui massa elevada pel 7805, o inferior a la que necessita. De nou cal mirar el datasheet, com a mínim necessitem 7V a l’entrada per tenir una sortida estable de 5V (no és el que es diu precisament low-dropout), i com a molt li podem donar 35V abans de fregir-lo. Per la part superior no tindrem cap problema, doncs veig que el condensador que hi ha a la placa del transformador és de 16V, o sigui que la font no deu superar aquesta tensió de sortida. D’altra banda, per baix, no vull triar una tensió de sortida massa propera a 7V, em puc trobar que si la demanda de corrent de la tablet és massa gran, pugui caure la tensió per sota d’aquests 7V i el regulador deixi de treballar. O sigui que al final em decanto per la penúltima sortida, que treu uns 8V; tampoc em preocupa molt aquesta elecció, només és una soldadura i sempre sóc a temps de canviar-ho en un moment si no va prou bé.

Mòdul del regulador 7805

El led blau de 5mm que fa d’indicador el soldo a l’entrada del regulador, doncs ja porta una resistència (calculada per anar a 12V, i a 5V quasi no faria llum). Ja només falta soldar el connector USB, amb cables negre i vermell i respectant la polaritat; no vull fondre la tablet en cas d’error, o sigui que m’he mirat detingudament el patillatge o pinout.
Tot és a punt per a la prova, o sigui que connecto la tensió de xarxa, la tablet… i no passa res! M’ha semblat que es dibuixava la pila a la pantalla, senyal que està carregant, però ha desaparegut de seguida i no es carrega. Ja tenim el primer problema, anem a veure què passa.

REQUISITS DE CORRENT
Sembla que la corrent que vol la tablet és superior al que li està oferint el carregador, però no n’estic segur. Sé que hi ha alguns trucs “bruts” que alguns fabricants fan servir amb els pins de dades del port USB dels carregadors, podria ser això. Hora de documentar-se.

Hi ha molta informació a la xarxa sobre aquest tema, però és confusa, i en molts casos inclús contradictòria. La millor solució seria llegir-se directament el protocol USB, però no estic tan boig; segurament seria massa informació, només necessito un resum fàcil per fer-me a la idea. Després de consultar unes quantes fonts online no n’he tret una solució definitiva, però tinc clares algunes coses, que ja és molt. Us en faig un resum, per si mai voleu fer una cosa semblant a la que estic fent jo; en cas contrari, us podeu saltar una bona parrafada.

En primer lloc, sembla que l’especificació USB és clara: el port dóna 100mA d’entrada com a molt; si el dispositiu connectat en vol més, ho ha de negociar amb l’hoste, d’aquesta manera pot arribar a obtenir fins a 500mA per les seves necessitats. Això és com funciona quan endolles la tablet a l’ordinador (com ho tinc ara), però els carregadors no són tan “intel·ligents”. Per estalviar xips cars que facin aquesta negociació fan servir tota una colla de trucs “bruts” que són totalment al marge de l’estàndard USB; i aquí és on comencen els problemes: cada fabricant fa el que li dona la gana. Ara començo a entendre perquè el meu venerable reproductor MP3 (Creative Zen V) només es pot carregar en ports d’ordinador, i no l’he pogut carregar mai en cap carregador (naturalment no m’he volgut gastar els 35€ que val el carregador oficial, que el propi aparell no portava, per cert).

Aquests trucs que us deia són variats i simples, analògics tots ells. El més comú és fer divisors de tensió amb resistències entre els pins de dades i l’alimentació; d’aquesta manera, es pot posar la tensió que es vulgui (entre 0V i 5V, és clar) a cadascun dels dos pins. Això ho interpreta el dispositiu (compte, cada aparell ho entén diferent!) i així sap quanta corrent pot rebre del carregador en qüestió. En això semblen destacar per la gran quantitat de possibilitats els dispositius del fabricant de la poma; aquests fan tots aquests merders pel mateix motiu que els de Creative, és clar: carregador “dels xinos” 8€, de “marca blanca” 15€, el mateix carregador amb una poma dibuixada: 50€. Deixem-ho estar, que aquesta polèmica no és el tema d’avui.

Un altre recurs, i aquest és més interessant ja que sembla ser molt popular, és unir els pins de dades (D+ i D-) entre ells, i llavors donar-los una determinada tensió (amb resistències, com he explicat abans), o no. Aquest últim cas sembla el més fàcil, però té una contrapartida: aquest muntatge sembla que indica al dispositiu (i aquí n’hi ha uns quants que coincideixen) que hi ha “barra lliure” de corrent, és a dir, que pot agafar el que vulgui (fins a 2A, diu en alguns llocs!), que sempre n’hi haurà prou. Una altra versió força popular uneix els dos pins de dades i els hi posa exactament 2V, en aquest cas l’aparell sembla entendre que hi ha 500mA a disposar, però no més. Aquest muntatge podria ser prou segur pel meu petit transformador, tot i que podria significar molt més temps de càrrega (més corrent, menys temps, cal “omplir” una bateria la capacitat de la qual es mesura en mAH, o miliampers per hora).

MÉS PROVES
Després de tanta documentació i teoria, és hora de tornar a la pràctica de nou. O sigui que faig la prova, amb els dos pins de dades units amb 2V. I sabeu què? Tampoc funciona.

Se m’acut que poden estar passant tota una colla de coses:

  • la tablet no entén que el carregador pot donar 500mA
  • si que ho entén però no en té prou, en vol més
  • si que ho entén i en té prou, però llavors el carregador no els hi dóna

Resoldre aquest trencaclosques pot arribar a ser massa complicat, i en aquest punt he de reconèixer que em començo a atabalar. Com pot ser tan difícil fer un simple carregador? Però hi poso paciència i torno a la feina, doncs desesperar-se no porta enlloc (i, curiosament, en cada projecte hi ha com a mínim un moment d’aquests, per què deu ser?).

El següent pas lògic és oblidar-me dels 2V a les potes de dades i provar simplement la unió dels dos pins sense tensió, que és l’altra manera popular de dissenyar carregadors, com ja he dit. La prova que faig no funciona, tampoc, i no sembla que hi hagi massa diferències. El mètode de prova i error, com veieu, no està funcionant tan bé com es podia esperar. De vegades la manera que sembla la més ràpida no ho és, o sigui que canvio de tàctica i faig una mica d’anàlisi.

La tensió que mesuro amb el tester a la sortida del regulador són 5V força exactes, com no pot ser d’una altra manera; a l’entrada hi ha uns 8V, tot bé fins aquí. Però quan endollo la tablet hi ha una davallada: l’entrada baixa a 6V, i la sortida cau a 4,2V, és normal que no carregui. Això em fa pensar que enlloc de triar la sortida de 8V al transformador puc agafar la de 10V (que és la més alta) a veure si així puc obtenir tota la corrent que fa falta, o com a mínim compensar una mica la caiguda de tensió. Una altra cosa que observo és que a l’entrada del regulador hi ha tensió alterna (un arrissat excessiu). Per mi això vol dir de manera inequívoca que amb l’estirada de corrent el condensador rectificador que hi ha a la placa del transformador es veu superat; té massa poca capacitat, i per això no “aplana” prou la semi-ona que surt del pont de diodes. A partir d’aquí el problema s’estén al regulador, que no té prou tensió en contínua, i per tant ja no pot fer la seva feina.

La següent tasca és, doncs, canviar el selector del transformador i posar-lo al seu nivell més alt (10V sense càrrega), i canviar el condensador que hi ha just després del pont de diodes. Calcular el condensador és per mi un art llargament oblidat, però he trobat la fórmula en una carpeta on hi guardo coses interessants: C=(80000xI) / V; on naturalment C és la capacitat del condensador en micros, la I la intensitat (corrent) màxima de sortida, i la V la tensió. En el meu cas, C és la incògnita, I és 1A, i V és 10V. El resultat són 8000uF, que evidentment no és cap valor comercial. Per sort tinc entre els components recuperats de les autòpsies un condensador de 10000uF i 16V, perfecte per ara. I el poso al seu lloc en comptes del que hi havia, que és de només 1600uF. Això pot pal·liar una mica el problema, però em fa mala espina: si el condensador era tan petit, no deu ser que el transformador no pot donar tanta corrent com jo vull?

El transformador, amb el condensador nou al costat

Només una prova em pot contestar la pregunta, o sigui que hi torno… i el resultat és el mateix, tot i que el dibuix de la bateria ha aguantat una mica més, la tensió no ha caigut tant, i l’arrissat és pràcticament inexistent. Conclusió: he de posar un transformador més gran, aquest no pot donar la potència que necessito.

SEGON INTENT
Després de tantes explicacions i proves, torno a anar al lloc on ha començat tot, la caixa de les peces recuperades (he perdut el temps o he après quelcom? Vosaltres decidiu!). Hi torno tot el que ja no faré servir, i començo a buscar el que em fa falta. No en tinc gaires, de transformadors, però no obstant em sembla que he trobat un alimentador que em pot anar bé: una font d’alimentació d’una vella impressora de tinta HP. Com ja sabeu, n’he desmuntat unes quantes, o sigui que no és l’única que tinc. A l’etiqueta hi diu que dóna 30V i 12W (vegeu la foto a sota), o sigui que per la potència no he pas de patir (5V x 1A = 5W). També agafo un petit circuit que vaig fer fa temps, format per placa perforada, un integrat LM317 també TO220, el seu radiador (procedent de l’autòpsia d’una font d’alimentació de PC), i els quatre components passius que necessita. Em pot anar molt bé, ja que si no recordo malament no té problemes per donar 1,5A, inclús més amb altres encapsulats; i, perquè negar-ho, el vull fer servir perquè aquest és un dels meus integrats preferits (simple i econòmic).

El mòdul del LM317, amb radiador i tot Característiques de la font de la impressora

El que em porta més feina és obrir la caixa de l’alimentador HP, ja que aquests trastos no estan fets per desmuntar-los, i pel que sembla qui els va dissenyar havia treballat anteriorment molt de temps en una fàbrica de caixes fortes. Gairebé perforo l’immens condensador que porta tot fent palanca, però és que necessitava veure què hi porta a dins, aquest trasto, abans de fer-lo servir. Com em pensava, és una font no regulada, molt semblant a la que us he explicat abans: un transformador per convertir la corrent alterna de la xarxa de casa a un nivell molt més baix (i inofensiu), un pont de diodes (en aquest cas integrat), i un parell de condensadors, per rectificar (el gran) i filtrar (el petit).

Això és el que hi ha a dins la caixa negra que alimenta la teva impressora vella

Tallo el cable de sortida, i soldo l’entrada del 317, no sense abans mesurar la tensió amb el tester. M’apareixen ni més ni menys que 38,2V, que no és poca cosa. Mirant el datasheet del 317 em sembla que ho aguantarà (màxima diferència entre l’entrada i la sortida 40V, en aquest cas 33,2V, estem dins de paràmetres); una altra cosa molt diferent és si serà capaç de dissipar tanta potència, però això ja ho veurem. El següent pas és fixar la sortida del 317 a 5,1V (el protocol USB permet una tolerància, i prefereixo anar per damunt). El circuit que ja tenia fet estava fixat a 10V (el vaig fer un dia per carregar una càmera de vídeo que no era meva), i les resistències no em serveixen. Com que em fa mandra calcular-les (a aquestes alçades em pensava que ja ho tindria llest), li pregunto a sant Google: “LM317 calculator”; i l’oracle m’ha respost això, una calculadora online que us recomano totalment. Busco els components als calaixets, soldo la resistència i un potenciòmetre per acabar-ho de clavar, ajusto la tensió, i llest.

Ja només queda soldar la connexió USB que he estat fent servir tota l’estona i ho tinc, ja puc fer una altra prova. Per fi, la tablet comença el procés de càrrega sense cap problema. Però és tot un èxit? No ho crec pas, el radiador del LM317 està cremant i fa només uns segons que funciona. No em fa por per fer una prova, perquè aquest integrat limita la corrent i fins i tot la talla si s’escalfa massa, no és d’aquells que acaben desapareixent en un núvol de fum pudent. Però no és plan que aquest carregador pugui servir d’estufa i llenci quatre cinquens de la potència que consumeix! No anava pas desencaminat, quan he pensat que hi hauria massa potència a dissipar… No he mesurat la corrent que demana la tablet, però tan sols vulgui 1A, estem parlant de més de 33W (si és que el transformador els pot donar) de dissipació en calor, brutal! Però hi ha una bona notícia, el transformador ho aguanta perfectament, ni s’escalfa ni dóna problemes d’arrissat. Hora de fer la tercera iteració!

TERCER INTENT
El següent pas per mi és evident, a aquestes alçades: substituir el regulador LM317 per un que no tingui el problema de la temperatura, però mantenint -o millor encara augmentat- la capacitat de corrent. En aquest cas la meva tria és l’integrat LM2596 de National (ara Texas Instruments), que és un regulador commutat, no lineal com els altres dos que he utilitzat fins ara. El joc canvia una mica, doncs no és el mateix un regulador lineal que un de commutat, aquests últims no són tan fàcils de fer servir, hi ha més components externs i són més difícils d’encertar. Però aquí faig una mica de trampes, ja que enlloc de fer servir l’integrat a seques, he comprat un mòdul que ja ho porta tot, el xip i els components passius. De fet, el vaig comprar fa temps a ebay per provar-lo; em va semblar molt bon negoci, per poc més d’1€ tens tota una font d’alimentació. Si mirem el datasheet del LM2596, veiem que pot agafar una tensió d’entrada de fins a 40V i “baixar-la” tant com vulguem, fins a 1,2V! Amb molt bona eficiència (molt millor que un regulador lineal, és clar) i, això és el millor, fins a 3A de corrent! Amb tanta corrent puc aprofitar que el connector USB és doble per carregar dos dispositius alhora, encara que els dos siguin exigents quant al consum.

El mòdul del 2596 que vaig comprar a ebay

L’únic problema que li veig al mòdul (no a l’integrat) és que el condensador electrolític que hi ha a l’entrada és per a 35V com a molt, mentre que jo n’hi posaré una mica més, de tensió. Sembla que és una decisió una mica discutible, la que ha pres el dissenyador d’aquest mòdul; tenint en compte que l’integrat accepta fins a 40V hauria estat més raonable posar-lo de 50V o millor encara de 63V. Quan m’he adonat d’això he fet un tomb per ebay i he vist que hi ha altres mòduls que això ja ho han tingut en compte. Me’n compraré dos o tres més, em sembla que trobaré molts usos per aquests aparells en el futur (el 317 ha estat desbancat a la meva llista de preferits?).

Tot el muntatge sencer, de l'endoll a l'USB

Tornant al tema de la font, el muntatge que faig no pot ser més senzill: de la sortida de la font de la impressora a l’entrada del mòdul, i de la sortida al connector USB. Només queda regular la sortida a 5,1V amb l’ajuda del tester, i per fi puc fer la prova: oli en un llum! La tablet carrega sense problema, i ben ràpid que va. L’integrat quasi no s’escalfa, i la resta de components que hi ha al voltant tampoc; em pensava que potser hauria de posar un radiador al xip, però ni tan sols això no cal. Més eficiència vol dir que no dissipem tanta potència, per tant menys escalfor.

El condensador de l’entrada del mòdul em fa patir, doncs està treballant fora de paràmetres. No crec que duri massa, però ja n’he demanat un d’igual però de 63V per quan peti. Quan m’arribi el canviaré i tinc carregador per temps. Ara el següent pas és ficar-ho tot plegat en una capsa de plàstic, és una mica perillós tenir els pins del transformador a l’abast! I també cal dir que millorarà una mica l’estètica. Però en aquest punt ja ho considero un èxit, ja que la tablet està carregada i la meva filla em deixa en pau mentre hi juga.

El carregador funciona i la tablet està a punt per jugar!

ÚLTIMS TOCS
He tornat a visitar “la caixa” per buscar un embalatge adient pel carregador. Per desgràcia aquest transformador és molt voluminós, i només he trobat una capsa prou gran:

Caixa d'electricista, que lletja!

No m’acaba de convèncer, si el fico aquí a dins serà encara més lleig que ara. Es nota massa que és un producte industrial, pensat per ser pràctic i no bonic. No veig la manera de fer que aquesta caixa de connexions millori l’estètica del carregador. He pensat pintar-la, llimar-li les irregularitats de la part inferior i posar-li llàgrimes de goma, treure els conus de goma i posar-hi reixetes de ventilació als forats que deixin, i fins i tot ficar-hi un led indicador… però tot i així em penso que no quedarà prou bé.

Mentre vaig donant voltes al tema de la caixa m’ha arribat la comanda de components, i amb ella el condensador que em faltava. No he tingut cap problema per treure el que hi havia, de 35V i en SMD, i posar-hi el nou, de 63V i amb potes (i de 105ºC, que no m’estic de res!). És més gran, és clar, però això no suposa cap problema. Ho he tornat a provar i segueix funcionant perfectament.

Adéu condensador SMD a 35V! Hola condensador amb potes a 63V!

El temps ha anat passant mentre pensava en fer-li una caixa al carregador, que ha anat funcionant cada dia. I per fi ha arribat el que vaig comprar a Hong Kong. També funciona correctament i, al contrari del que em pensava, ho ha fet més de tres vegades. Ara faig servir aquest, o sigui que ja no penso en la caixa. Em sembla que el projecte es quedarà així, i el guardaré tal com està per si mai em torna a fer falta. El millor que puc fer és acabar d’escriure aquest post (quant de temps fa que vaig començar?), i oblidar-me del tema. Una cosa més que deixo a mitges… Com a mínim haurà servit per aprendre alguna cosa!

El carregador nou, funcionant perfectament

Res més, us deixo les fotos al flickr, fins a la propera!

2 pensaments a “El carregador USB

    • No he volgut encetar un flamewar, amb el comentari de les pomes… Deixem això de fer melmelada de poma per un altre dia.
      Amb el carregador casolà es carrega més ràpid que amb el comprat, però també s’escalfa una mica més la tablet. Ignoro a partir de quin punt és perillós, però sospito que la pròpia tablet té un xip dedicat que ho controla, i per tant deu ser segur. De fet jo només he posat més corrent a disposició de la tablet, i ella ha agafat la que ha volgut.

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out / Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out / Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out / Canvia )

Google+ photo

Esteu comentant fent servir el compte Google+. Log Out / Canvia )

Connecting to %s