Вступление
Начнем с вами с того, что при очередных экспериментах с USB-зарядкой и самодельными проводами-крокодилами я решил ради прикола измерить напряжение между плюсом USB-контакта и землей. Цифры оказались неутешительными, и мы с вами разберем их по мере погружения в тему.
Дисклеймер: Лабораторные работы проводились опытным человеком, работа с высоким напряжением требует большой бдительности, опасно! Статья несет чисто информативный материал.
После долгих раздумий и тестов пришел к выводу, что зарядка не дает полной гальванической развязки, и в этом кроется главная опасность (для знающих скажу, что здесь есть емкостная связь, но об этом далее)!
Если вы читали мою статью про «смок-стоппер» из TP4056, то я просто обязан разобрать всю эту опасность на деле. На борту FPV-квадрокоптера имеется нежная электроника: транзисторы, акселерометры, микроконтроллеры. Эти ребята очень чувствительны к питанию. У них слой диэлектрика легко шьется статикой и напряжением от 20 вольт. А тут у нас 161 вольт в пике амплитуды, но не будем забегать вперед.
Когда вы подключаете свой дрон или иную аппаратуру к зарядке, воткнутой в розетку, вы создаете на плате высокий потенциал напряжения. Да, между выходными контактами там положенные 5 вольт, но между «землей» схемы и реальным заземлением — все 160 вольт (в зависимости от качества зарядки)! И любое чисто случайное касание дрона с заземленным предметом приведет к настоящей игре в русскую рулетку, где барабан полон и какая именно микросхема выстрелит — неизвестно.
Но самое страшное: из-за того, что наше тело способно проводить ток, в сценарии с дроном мы сами становимся обкладкой воздушного конденсатора относительно земли. И когда пользователь, даже находясь в метре от заземления на резиновом коврике, схватится за дрон, высока вероятность того, что замкнется примитивная цепь. Ток побежит из розетки по проводу на полетный микроконтроллер, с него пойдет на руку, с руки уйдет на тело и замкнется через емкость этого самого воздушного конденсатора. Это буквально десятые доли миллиампера — сам пользователь ничего не почувствует, но дрон после этого уже не оживет.
И теперь, после того как я вас затянул, давайте разберемся: что с этим делать, можно ли это «вылечить», будет ли ценовая категория зарядки влиять на качество напряжения и есть ли вообще опасность для человека?
Пойдём в обратном порядке
1. Опасность для человека
Нет, для человека такие зарядки не будут представлять опасности (если, конечно, не создавать идеальные условия). Скажем так: все потому, что в нашем случае зарядка хоть и считается пропускником высокой ЭДС, но ее внутреннее сопротивление крайне большое. Скорее напряжение обвалится до 5–10 вольт, нежели вы получите удар током (при тесте оно обвалилось до 12 В, но об этом далее).
Но это далеко не всегда так! Люди, находящиеся в группе риска, могут пострадать, так как токи тут хоть и маленькие, но наделать делов могут!
Но это не значит, что вы можете одновременно принимать ванну, залипать в телефон и заряжать его от розетки!
Дешевая зарядка опасна тем, что мы не знаем, какую диэлектрическую прочность в нее заложил производитель.
Она вполне может быть сделана без соблюдения стандартов безопасности. Паровой конденсат от горячей воды легко оседает на дорожках платы, из-за чего изоляция нарушается и происходит сквозной пробой сети 230 вольт на выходной кабель! А учитывая, что во влажной среде ток для человека наиболее опасен, последствия такого удара могут быть фатальными!
Так что никогда не пользуйтесь сетевыми бытовыми устройствами в ванной! Если очень хотите полистать ленту в воде — берите с собой повербанк. С ним вы полностью изолированы от розетки (это и есть та самая гальваническая развязка), и никаких путей для опасного тока нет. Хотя, вероятно, после таких походов начнется коррозия на плате вашего мобильного устройства, и придется тащить его в сервисный центр.
2. А ценовая категория зарядки будет влиять на качество напряжения?
Давайте сделаем так, чтобы все было на деле, а не на словах. Проведем научный эксперимент, целью которого станет подтверждение моих слов о высоком напряжении, а также это позволит нам понять характер выходного напряжения.
Внимание! Все дальнейшие действия были выполнены профессионалом! Не повторять, опасно!
2.1. Сетевой адаптер №1: номинальная мощность 10 Вт, модель JSY-0520, 5 В / 2 А, бренд No Name
На данной фотографии видно, что общий размах от «звонка» до «звонка» составляет аж 323 вольта! Горячо. Учитывая Vмин и Vмакс примерно в 161 вольт, можно понять, что перекоса напряжения нет. Но для чувствительной электроники это смерть! Особенно если вы подключите вашу нежную технику через длинный кабель в несколько метров. Тогда кабель накопит этот потенциал и станет своего рода обкладкой конденсатора между землей и блоком питания. В итоге после подключения полетника вы будете играть в сапера, где проигрыш неизбежен при всех возможных вариациях. И антистатический браслет тут даже не спасет, ведь потенциал не на вас, а на самом полетнике! Хотя, по правде говоря, выход есть, но я расскажу об этом далее.
2.2. Сетевой адаптер №2: номинальная мощность 15 Вт, модель HNT-QC530, до 12 В / 1.5 А, бренд No Name
Здесь картина та же, но напряжение чуть ниже: Vмакс составляет +158 вольт, Vмин — -159 вольт, общий размах — 318 вольт, а частота — чистые 50 герц. Зарядка в принципе не блещет качеством, а при подключении в розетку она еще и искрить умудряется. Явно производитель сэкономил на терморезисторе, а может, и не только на нем!
2.3. Сетевой адаптер №3: номинальная мощность 20 Вт, модель затерта, до 12 В / 1.67 А с промежуточными значениями, бренд Lenovo
Здесь видно, что амплитуда стала значительно меньше. Но все равно для нежной низковольтной техники это приговор: 89 вольт в пике. Конечно, это куда лучше, чем 161 вольт, как минимум потому, что выделяемая мощность при той же нагрузке станет почти в четыре раза меньше, чем на 160 вольтах. Но это если судить чисто по напряжению, а не по внутреннему сопротивлению.
2.4. Сетевой адаптер №4: номинальная мощность 40 Вт, модель HW-100400E00, до 10 В / 4 А, бренд HUAWEI
тут тоже синусоида стандартная, перекоса фазы нету, пик под 104 вольта, что довольно странно, интересно и страшно, блок брендовый
2.5. Сетевой адаптер №5: номинальная мощность 45 Вт, модель 11436, до 20 В / 2.25 А, бренд Deppa
А здесь картина стала еще куда интереснее. Мало того что есть перекос фаз, так еще и синусоида стала более резкой и прямоугольной! Пожалуй, меня этот блок питания откровенно расстроил — никак не ожидал от него подобного результата.
2.6. Сетевой адаптер №5 (Deppa, 45 Вт): напряжение под нагрузкой резистором 32 кОм
Как видно на фотографии, внутреннее сопротивление источника настолько велико, что даже под, казалось бы, маленькой нагрузкой в 32 кОм общее напряжение упало до 12 вольт, а амплитуда стерлась буквально в ноль. Даже сам осциллограф показывает 436 герц — видать, лезут какие-то выплески или гармоники. И да, это полностью подтверждает мою фразу про безопасность для человека!
2.7 Вывод таков:
Мы с вами сравнили пять разных блоков — от китайских подвальных брендов до известных и популярных. Как видите, даже Lenovo выдал под 80 вольт амплитуды, а самый первый белый вариант бахнул под все 160 вольт! Скорее всего, тут в игру вступает качество фильтров и Y-конденсатор: чем грамотнее сделаны помехоподавляющие каскады на входе, тем сложнее сетевой синусоиде пробиться через емкостную связь и изоляцию.
3. Разберём Y конденсатор, как виновника всей этой дорогостоящий вечеринки
Предоставлю вам очень простенькую схему сделанную за 5 минут:
Пришлось местами схитрить, чтобы она стала какой надо. Только договоримся, что две катушки связаны между собой магнитопроводом и образуют трансформатор. А он уже гальванически развязан от сети. То, что стоит правее от такого трансформатора — это низковольтная часть на 5 вольт. То, что левее — это уже «горячая» часть, там обитают 230 вольт.
А сам «игрик»-конденсатор стоит как раз между двумя этими частями, гася высокочастотные всплески. Но именно он и позволяет синусоиде в 50 герц «симфонить» из нашей розетки на выход! Чем схема мощнее, тем больше должен быть кондер, поэтому на 45-ваттнике картина была категорически другой.
4. Вернемся к вопросам: а можно ли это «вылечить»?
Да, можно. Во многих промышленных блоках питания производители зачастую заземляют минус, что в итоге стирает в ноль подобные эффекты. В компьютерных блоках питания так тоже делают сплошь и рядом. Почему на телефонных БП так сделать не захотели? Ответ прост: экономия. Производителям проще не делать заземление, чем с ним мучиться. В итоге мы получаем готовый блок, который при штатном использовании будет работать как надо. А нам, радиолюбителям, приходится слушать их «пение» на КВ и смотреть на то, как нежная схемотехника ломается.
5. Что с этим делать? Любители FPV-дронов и нежной 5 В техники, информация для вас!
Если вам надо провести исследование (например, запитать 1S FPV-квадрокоптер для диагностики) или зарядить какое-то устройство, которым вы дорожите, используйте внешние накопительные батареи (повербанки). Это полностью безопасно благодаря тому, что вы создаете железную гальваническую развязку. Ваше устройство вообще никак не контактирует с высоким напряжением розетки. В итоге техника цела, а вы довольны!
Но давайте поступим так: далеко не всей технике требуется подобная развязка. Чтобы вы примерно понимали, где можно обойтись без нее, а где нельзя, судите по корпусу устройства. Если ваше устройство имеет открытые контакты, дорожки или металлизированные площадки на плате ( как полетники на дронах), то в теории для безопасности вы должны заряжать и питать его либо через порт компьютера (при условии, что его блок питания заземлен в розетку), либо через внешнюю развязку от сети — через ту же батарею. Если же это готовое коммерческое устройство, где все контакты закрыты корпусом и дотронуться до них физически нельзя, его можно смело питать от любого сетевого адаптера. В таком случае потенциал будет уравнен в рамках всего оборудования с максимально безопасным результатом.
6. Хороший вопрос: а как же мобильники?
С телефонами ситуация проще. Начнем с того, что вы не имеете прямого контакта с его схемотехникой, а во-вторых, производитель тут хорошо постарался. Для электроники смартфона вся эта ситуация — повседневный абсурд. Там установлено много разных защит, а плату чуть ли не целиком зашили в экраны, работающие как клетка Фарадея. В целом там все надежно закрыто. Тем и отличается готовое коммерческое устройство от самодельного или покупного, но сырого, требующего дальнейших манипуляций с жалом паяльника
На этом в принципе все! Спасибо за прочтение данной статьи. Вы получили новую порцию информации, я спас чьи-то нервы, и все мы на этом довольны. Всем всего хорошего, 73!
#электроника #радиоэлектроника #схемотехника #fpv #квадрокоптеры #пайка #блокипитания #осциллограф #своимируками #полезныесоветы #сделайсам #техникабезопасности #электрика #гаджеты #ардуино