Todo sobre cargadores USB, calidad, capacidad, cual elegir?

La batería de un celular necesita por lo general 4.2 voltios para quedar completamente cargada (4.35v en algunos cels ), y un cargador USB normalmente entrega 5 voltios (o hasta 12 voltios en cargadores Quick charge). Sin embargo, en el cable de carga, puerto de entrada, lineas de Corriente internas y reguladores del telefono se presentan algunas pérdidas que reducen este voltaje. Por esta razón, se debe escoger un buen cargador, ya que son necesarios al menos 4.5 voltios medidos en el puerto del teléfono para cargar la batería de forma óptima.

En cargadores económicos, a medida que aumenta la corriente suministrada, el voltaje se reduce, y si le sumamos la alta resistencia de un cable económico nos encontramos con un teléfono que no va a cargar a la velocidad adecuada y de forma estable.

Cargadores lineales

Cargador lineal abierto

Las fuentes lineales eran las que se usaban hace más de 10 años, como los cargadores de teléfonos Nokia viejos, su popularidad se debia principalmente a su simplicidad, bajo costo y bajo ruido eléctrico (por eso son las preferidas aun en los circuitos de audio). Sin embargo, son poco eficientes, pesadas y tienden a calentarse a grandes corrientes.

En este tipo de cargadores la corriente alterna a 110 o 220 voltios (AC) luego de pasar por un fusible llega directo al embobinado primario del transformador que dado que se trabaja en la frecuencia de la red eléctrica de 50 o 60 hertz, este transformador debe ser grande y pesado. Luego este alto voltaje es reducido a menos de 12 voltios AC en el bobinado secundario del transformador y de ahí, pasa a un puente de diodos (4 diodos) el cual rectifica este voltaje a DC.

Este voltaje todavía es inestable por lo que pasa a un regulador lineal el cual produce una salida estable de 5 voltios (cargadores usb). Esto lo hace convirtiendo el exceso de energía en calor, proceso que desperdicia energia y produce recalentamiento. Al final de esta cadena, un condensador electrolítico elimina cualquier ruido o rizado que quede en la salida de voltaje por lo que se termina con una señal limpia DC.

Fuentes conmutadas

Foto interna cargador brightside 2.4A

Este sistema es usado en la mayoría de cargadores modernos, y entre sus ventajas están un tamaño mucho menor que uno lineal de la misma capacidad, menor calentamiento y mayor eficiencia, ademas de poder trabajar con multiples voltajes de entrada. Entre sus desventajas tenemos una mayor complejidad, costo y ruido eléctrico.

En las fuentes conmutadas, el transformador trabaja a una frecuencia muchísimo mayor (del orden de kilohertz), lo que reduce el tamaño necesario y aumenta su eficiencia

Como funciona una fuente conmutada

fuente conmutada con optocoupler

El voltaje de entrada AC luego de pasar por un fusible es rectificado a corriente DC por medio de los diodos de entrada (4) los cuales pueden ser individuales o incluidos en un circuito integrado, en cargadores muy economicos usan 1 solo diodo lo cual desperdicia potencia. Esta señal rectificada pulsante es luego suavizada por medio del condensador de entrada, este es uno de gran tamaño debido al voltaje que trabaja, y se encuentra antes del MOSFET.

Luego de ser suavizada la señal, pasa a un switch el cual por lo general es un MOSFET, que varía mucho de especificación entre fabricante y diseño, pero se puede observar que entre mayor sea la potencia, mayor es el tamaño y area de disipación. Este switch se abre y cierra miles de veces por segundo, según la especificación de tiempo de trabajo (duty cicle) que tenga, y esta es la corriente transferida al transformador.

Se usa un transistor MOSFET ya que este ofrece poca resistencia en sus estados ON-OFF aumentando asi la eficiencia. En algunos cargadores puede venir incorporado en un circuito integrado junto su controlador.

Este MOSFET es controlado por medio de otro transistor o un circuito integrado el cual genera una onda cuadrada que controla su oscilacion, segun el Duty Cycle (ciclo de trabajo) es la cantidad de energia transferida al transformador.

De ahí sigue él transformador, que dado que la frecuencia es mayor (en el rango de Kilohertz), permite que su tamaño y peso sean menores. Este debe usar doble aislamiento para no generar riesgo de electroshock. En algunos cargadores se instala en paralelo un condensador “Y” que reduce interferencia, este tipo de condensadores cuando fallan quedan en estado “abierto”. En cargadores baratos este es reemplazado por uno cerámico el cual al fallar queda en estado “cerrado” lo cual genera riesgo de electroshock al usuario final

Del bobinado secundario del transformador esta señal AC de alta frecuencia es rectificada nuevamente a DC por medio de un Diodo schottky (estos mas eficientes que un diodo normal) o por medio de un transistor en cargadores de alto estandar.

Este voltaje ya DC aun contiene mucho ruido y rizado, este es filtrado por medio de un Condensador electrolitico, en cargadores de mas estandar se hace por medio de una Bobina+condensador o condensadores solidos. De ahi la corriente va al puerto de salida que en su version mas basica contiene unas resistencias que modifican el voltaje en los pines de datos para asi indicar al cel la capacidad que el cargador posee (en algunos estas se reemplazan por un integrado que crea compatibilidad con multiples estandares como quick charge, Apple, etc)

En algunos cargadores se deriva una linea a un circuito detector (en algunos un diodo zener) el cual va al optocoupler que va a regular la oscilacion del Mosfet. El optocoupler permite al circuito controlador del MOSFET principal recibir una señal proporcional al voltaje de salida y asi regular la oscilacion de este segun la carga exigida al cargador. El optocoupler tiene un diodo en un extremo que emite un brillo proporcional al voltaje que recibe y una fotocelda en el otro extremo proveyendo feedback al circuito controlador del mosfet pero manteniendo un adecuado aislamiento electrico.

Cargadores de mas alto estandar o para el mercado de USA o Europa incorporan circuitos de correccion de factor de poder y bobinas reductoras de interferencia en la entrada AC del cargador.

Otros cargadores (como los cubitos de iphone) reducen costo y utilizan otra topologia, en esta se detecta la corriente de salida por medio de un bobinado secundario en el lado AC del transformador, este diseño omite componentes como el optocoupler , comparador o zener lo cual reduce costos, pero si no se diseña adecuadamente aumenta el ruido electrico.

fuente conmutada sin optocoupler

Volataje de salida y capacidad

Voltage sin y bajo carga son diferentes, pero igual este no debe jamas bajar de 4.8 aunque ideal 5V.

Si el cargador genera menos voltage el cel no cargara, si genera mucho lo puede danar. Poco amperaje no funcionara, si posee mas amperaje funciona bien ya que el equipo solo pide lo que necesita.

Sistema de carga y conector

Debes mirar que sea compatible con tu equipo ya que hay salida usb tipo A o salida tipo C. En cuanto a estandares de carga tenemos Battery charge, Apple 1A, Apple 2.4A, QC, PD. Por ejemplo si conectas un IPAD a un cargador con sistema de carga quick charge 2.0 aunque este tipo de cargadores soportan 5Voltios y 2 amperios en android, cargan un Ipad solo a 1 amperio. Igualmente si conectas un Samsung a un cargador de IPAD, este no cargara a 2.4A como el ipad sino a 5voltios y 1.7 Amperios.

Ruido y Rizado

El ruido y el rizado son pequenas corrientes AC superimpuestas sobre el voltaje DC del cargador. El Ruido es una senal de alta frecuencia generado en el area del mosfet transformador, el rizado se genera en el area de entrada AC del cargador y es el doble de la frecuencia AC de entrada

La operacion del telefono en si tambien genera ciertos ruidos electricos, en especial la pantalla, el integrado del tactil debe filtrar todos estos ruidos y si le sumamos el de un cargador de mala calidad, este integrado se saturara y se presentaran errores en la pantalla tactil. Algunos cels son mas sensibles que otros dependiendo de la calidad del ic del touch y del driver de este.

Demasiado ruido afecta la operacion de las pantallas tactiles y estresa componentes del celular tales como el chip de carga, condensadores, bateria y genera mas calentamiento.

Protege tu inversion y no conectes tu celular a cargadores baratos con alto ruido electrico

SEGURIDAD

Algunos cargadores economicos no traen fusible o este es solo una linea en la board

Adecuado aislamiento entre el area AC y DC puede romperse por mala calidad del transformador (no doble aislamiento), distancia crepage, Y capacitor, si no se siguen las normas de construccion adecuadas puede haber riesgo de electrocucion.

Se debe controlar la temperatura, en general el mosfet y el diodo de salida son los que mas se calientan, el cargador debe tener sensor de sobre temperatura

El cargador debe incorporar proteccion contra corto circuito y sobre descarga, ademas se debe auto resetear. Tambien debe tener una buena regulacion de salida para no danar los equipos

Debe incorporar unas Resistencias “seeders” para que la carga y descarga de los condensadores sea mas gradualny no estresar asi los componentes del cargador.

Proceso de Carga

Cuando cargas el celular estando bajo de bateria, es cuando mas se estresa al cargador, ya que el cel exige mayor vatiaje del cargador. Incluso voltajes de mas de 5 voltios en caso el cargador sea con el sistema Quic Charge o USB PD, esta tasa de carga es mayor para niveles de bateria entre 0 y 80% , de ahi disminuira hasta que estando el telefono lleno llega casi a cero.

CARGADORES DE MARCA Y COSTOSOS

Cargadores de alto estandar incorporan Power factor correction, filtros emi, diodo de salida reemplazado por mosfet, solid condensers o circuito LC para filtrar el ruido de salida.

En cargadores baratos muchas especificaciones son falsas, la capacidad en miliamperios no es real lo cual hará cargar a tu equipo mas lento ademas de riesgo de sobrecalentamiento. Tambien marcas regulatorias de FCC, UL,CE.

Hacer un cargador de alta capacidad pero un menor tamano aumenta el precio ya que se deben usar componentes de mayor calidad y precio

Algunos cargadores generan un ruido audible, segun la corriente de salida la frecuencia de operacion del transformador cambia, y a veces el material del nucleo del transformador vibra en una frecuencia audible

Los cargadores viejos eran mas grandes y pesados ya que el transformador iba del lado AC y pues operaba a una menor frecuencia 50-60 hz, ademas al usar un regulador lineal, estos desperdiciaban mucha energia en forma de calor.

Los cargadores tipo cubitos son terribles, por lo general tienen mas ruido, menor capacidad y menor aislamiento.

Para terminar, el cargador puede ser muy bueno pero si lo combinas con un cable barato la velocidad de carga va a ser lenta.

ARTICULO EN CONSTRUCCION, FALTA ADICIONAR GRAFICOS.

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