Ingeniería inversa y análisis de un cargador USB de 2 amperios

Bueno, de cuando en cuando desarmo y daño cosas; y como estaba con ganas de desbaratar algo, qué mejor que abrir un cargador USB de esos chinos que no cuestan mucho 🙂

La cosa es que quería ver su circuitería para examinar qué tan seguro es, pues la semana pasada me llegó una de esas noticias que dicen que a un fulano se le incendió la casa cuando se inflamó su cargador de celular. Cosa de locos.

Por otro lado también quería hacerle ingeniería inversa al cargador para compartir su diagrama esquemático, pues hace tiempo publiqué un cargador USB de 500mA bastante sencillo y algunos me preguntaron que cómo podían hacer uno de más potencia para cargar su iPad.

Por extraño que parezca en el Web no encontré nada 100% funcional así que creo que este esquemático sacará de apuros a más de uno.

Lo que encontré dentro es básicamente lo que se conoce como switching mode power supply o fuente conmutada; pero hay muchos tipos de fuentes conmutadas y la que tenemos aquí es una fuente auto-oscilante del tipo flyback converter.

(No me presten mucha atención a toda esta terminología técnica, pero seguro a alguien le servirá esa información).

La fuente es relativamente segura porque aísla la red eléctrica de 110/220V de nuestro computador, a través de un transformador y de un circuito óptico. Lo único que no me convence es ese capacitor C4 que no estoy seguro para qué miércoles lo pusieron allí. Yo lo sacaría. Por lo demás, parece ser una fuente relativamente segura de usar, excepto si se usan componentes de mala calidad, que no es el caso. Eso sí, hay que tener en cuenta que hay voltajes DC altos en ciertas partes del circuito y esto siempre será un riesgo.

Captura de pantalla 2015-08-15 a las 22.10.24 {focus_keyword} Ingeniería inversa y análisis de un cargador USB de 2 amperios Captura de pantalla 2015 08 15 a las 22

Para explicar cómo funciona este circuito lo voy a dividir en 4 etapas como en la siguiente figura.

circuit_explanation {focus_keyword} Ingeniería inversa y análisis de un cargador USB de 2 amperios circuit explanationEtapa 1: Rectificación y filtrado de entrada

Esta parte se entiende fácil. Tenemos un puente rectificador conformado por 4 diodos que rectifican la parte negativa de la onda senoidal de entrada y tenemos el capacitor C1 que suaviza o filtra el voltaje para tener un voltaje DC. Lo único importante a destacar aquí es que el voltaje DC es alto (117 x 1.4142 = 165.5 Voltios DC en mi caso); así que tenemos que tener mucho cuidado al manipularlo.

Etapa 2: Oscilador y driver del primario

Los componentes activos de esta etapa son 2 transistores. Uno pequeño, el S9014 y otro de más potencia, el 13003 que se encarga de conmutar el primario del transformador. Los componentes C6, R3 y D3 sólo sirven para formar un lazo de corriente con el primario cuando el transistor Q1 se encuentra apagado. Debido a que el primario presenta inercia a la corriente, la corriente tenderá a seguir circulando cuando Q1 se apague, pero lo hará a través de C6, R3 y D3.

El transistor Q2 también se puede decir que forma parte de la etapa 3 del circuito, pues allí es donde se mezclan las dos señales de retroalimentación: la que viene a través de la bobina marcada como FBACK y la que viene a través del circuito óptico. Con las dos señales se corrige cualquier desviación del voltaje que pudiese existir.

Etapa 3: Circuito de retroalimentación

Cualquier desvío en el voltaje de salida se corrige a través de dos señales, la primera viene del devanado secundario marcado como FBACK y la segunda viene de un opto-acoplador. Las dos señales son tomadas de tal manera que existe un aislamiento eléctrico entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada. El aislamiento es óptico en el caso del opto-acoplador y magnético en el caso del transformador.

El opto-acoplador usa un diodo zener de 4.3 voltios en su entrada, que sumado a la caída de voltaje de 0.9 voltios del propio dispositivo suman aproximadamente 5.2 voltios. Si el voltaje de salida sube más de 5.2 voltios, la salida del dispositivo opto-acoplador disminuye su resistencia aparente y esto modifica el ciclo de trabajo de la onda que alimenta el transformador.

Etapa 4: Rectificación y filtrado de la salida

Aquí solo se rectifica y filtra el voltaje para hacerlo útil para su consumo. En lugar de un diodo rectificador convencional se usa un diodo Schottky para aprovechar su rapidez y su baja tensión de umbral.

protoboard {focus_keyword} Ingeniería inversa y análisis de un cargador USB de 2 amperios protoboard

Finalmente, he armado el circuito en un bread-board para ver si funciona y los resultados fueron los esperados. Sólo como nota interesante tomé la forma de onda de la oscilación en el secundario del transformador (antes de pasar por el diodo Schottky). Aquí una foto de la onda de salida sin carga (la tomé con un osciloscopio portátil que tenía a la mano, no necesariamente preciso). Como se puede ver, el periodo de oscilación es de aproximadamente 800 uS.

oscilloscope {focus_keyword} Ingeniería inversa y análisis de un cargador USB de 2 amperios oscilloscope

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