Autós töltő vagy rádió?

Mások számára is ismerős lehet az az eset mikor az autós USB töltőt bedugjuk a szivargyújtóba és az oly mértékben zavarja az autórádiót, hogy az szinte hallgathatatlan lesz. Bizonyos adókat képes teljesen elnyomni.

Én is így jártam a lenti képen látható töltővel, amit még 2016-ban vettem a Fehérvári úti Homasitában. Persze mindaddig nem is derült ki ez a hibája, míg nem használtuk a töltőt és a rádiót egyszerre.

Gondoltam hamar szétkapom és megnézem mi van ebben a kütyüben. A következő képen elég jól kivehető a belvilága. Azt azért lehetett sejteni, hogy egy 12V to 5V step down konverter lesz az egésznek a szíve. A vezérlő IC típusa DP3111 amit a Shenzen Developer Microelectronics CO., Ltd gyártott és fejlesztett (www.depuw.com). Az IC-ben integrálva van egy 3A-es P-csatornás MOSFET kapcsoló, tehát a kapcsolási meredekséget kevés eséllyel tudjuk változtatni. Kapcsolóüzemű tápegységekben a legnagyobb problémát ugyanis a meredek fel- és lefutó élek tudják okozni, mivel ezeknek nagy a felharmonikus tartalmuk (gyors kapcsolást csak nagy sávszélességgel lehet elérni) és nagyon oda kell figyelni a ki és bemenet szűrésére nehogy ezek a jelek más készüléket zavarjanak.

A PCB-n minden működéshez nélkülözhetetlen alkatrész megtalálható. A gond csak a nélkülözhetőkkel van: mind a ki- és a bemeneten ott van a hely egy kerámia szűrőkondinak (C1 & C2), amiket viszont már nem ültettek be. Ezek impedanciája nagyfrekvencián jóval kisebb lenne, mint a beültetett elkóké, ezáltal sokkal inkább alkalmasak lennének a szűrésre. Mivel az áruk viszont  többszöröse a elkókénak és az alapműködéshez nélkülözhetők, ezért valakiben felvetődött, hogy: minek is beültetni.

Van még egy érdekes alkatrész a PCB-n, név szerint az F1-es $0\Omega$-os ellenállás. Az F-ből lehet arra következtetni, hogy ez a biztosíték (fuse) szerepét töli be, de arra is, hogy itt egy ferrite bead volt eredetileg, amit olcsósítás címszó alatt egy sokkal olcsóbb $0\Omega$-os ellenállásra cseréltek.

A következő szkóp ábrán a felvett áram látható. Ezt a design-t ezen a ponton nagyon alulméretezték, ugyanis a bemenő (átlag) áram 369mA, ugyanennek a hullámossága pedig 312mA. Mindez azt jelenti, hogy a nem megfelelő bemenő szűrő miatt a nagyfrekis összetevő is átfolyik az autóban lévő kábelezésen, ami nem feltétlenül jó a többi elektronika számára. Egy jól méretezett bemenő szűrő esetén a felvett áramon a nagyfrekvenciás összetevő csak minimális lenne. Mivel a nagyfrekis áram próbál mindig a legkisebb impedanciájú útvonalon közlekedni, ezért ezt a hullámos áramot valószínűleg a hozzá legközelebbi elektronika bemenő kondijából fogja felvenni, ami megint nem feltétlenül fog ennek örülni.

Ha már ott a hely a PCB-n a bemenő szűrőnek, tegyünk oda egy $10\mu F$ $25V$-os kerámia kondit, és nézzük meg hogyan változik a bemenő áram.

A bemenő áram hullámossága egyből lecsökkent 28%-ra, és a felharmonikus tartalma is igencsak visszaesett (meredek jel = széles spektrum, szinuszos áram = keskeny spektrum).

A következő két ábrán az előzőekben beültetett bemenő szűrő jótékony hatása látszik a kapcsolt ponton mért feszültségre. A MOSFET bekapcsolásánál létrejövő lengés amplitúdója kb. az ötödére csökkent (következő két képen látható).

A következő ábrán lilával az eredeti konfigurációval mért bemenő áram jelalak látható, valamint pirossal ugyanennek a jelnek a spektruma. A bemenő szűrő kondi beültetése után mért bemenő áram jelalak szürkével, valamint ugyancsak szürkével ennek a spektruma. Látható, hogy 1MHz alatt közel 20dB (10x) csökkenést értünk el ennek az egy kondinak a beültetésével.

Ezek után már biztos voltam a sikerben. Ennek ellenére szinte semmi különbség sem volt tapasztalható, továbbra is elnyomta az adók nagy részét a töltőből származó zaj.

Ezek után beültettem még egy $10\mu F$ $25V$-os és egy vele párhuzamos $1nF$ $50V$-os kondit a bemenetre. Ezt viszont úgy helyeztem el, hogy a legideálisabb helyen legyen, tehát a lehető legkisebb hurkot képezze a bemeneten (közvetlenül a P csatornás MOSFET drain-je és az SS34 schottky dióda anódja közé). Tettem rá kerámia kimenő szűrőt is, de az újabb próba sem járt sikerrel, a zaj még mindig nagy.

Ezek után jött az ötlet, hogy az F1-es rövidzár helyére tegyek ferrite bead-et (Würth Elektronik 742792040). Ennek a ferrite bead-nek 100MHz-en $600\Omega$ az impedanciája, és mivel sorosan van az áramkörben, ezért elég jó szűrést biztosít. A kerámia kondik (gondolok itt a 1206-os méretű $10\mu F$-os, 25V-os kondira) ekkora frekvencián (100MHz) már szinte képtelenek kondenzátorként viselkedni, nem tudják megakadályozni, hogy a zajáramok ne jussanak ki a PCB-ről.
És láss csodát, a ferrite bead meg is oldotta a problémát, azóta már lehet töltés közben is rádiót hallatni. Ennek a problémának a méregetése nem kevés időmbe tellett, vannak akik ilyenkor azzal jönnek, hogy miért nem vettél inkább egy jobb minőségű töltőt ahelyett hogy ilyennel fecsérled az idődet? Ha megnézem azt hogy mennyi "mérnöki óra" ment rá a javításra, és azt hogy mennyibe kerül egy új töltő, akkor kész anyagi csődnek tűnhet egyáltalán foglalkozni is a javítással. De van itt egy dolog amiről nem kellene elfelejtkezni, a sok próbálgatás, mérés, gondolkozás közben az ember nagyon is fontos és mitöbb használható tudást szerez amit a későbbiekben kamatoztathat még a munkája során. (igen, nekem is könny szökött a szemembe ezektől a szép szavaktól!)