iPad şarjının iç yapısı : ucuz taklidini alırsanız ölümle aranızda 0.6 mm olabilir!

Bu yazı elektriksel güvenlik hakkındadır. Geçtiğimiz yıl (2013) bir iPhone kullanıcısı şarj cihazının ucuz taklidi ile telefonunu şarj ederken elektrik çarpması sonunda hayatını kaybettiKen Shirriff'in blogunda bu yazıyı gördüğümde ben de bunu paylaşmak istedim. Kendisinden orjinal yazıyı, yani "iPad charger teardown: inside Apple's charger and a risky phony" (iPad şarj cihazı sökümü : Apple'ın ve riskli bir taklidinin iç yapısı) çevirmek için izin istedim ve çeviriyi aşağıda paylaşıyorum.

Apple iPad şarjını 19 dolara satıyor. Taklit bir şarj cihazı ise 3 dolar civarında (Amerika fiyatları). Dışarıdan bakıldığında şarj cihazları birbirine çok benziyor. Bu yazıda orjinal ve taklit şarj cihazlarına göz atarak, orjinalin çok daha kaliteli ve en önemlisi güvenli olduğunu göstereceğiz. Taklit cihaz daha en başta kalitesinin düşüklüğünü gösteriyor. Gücü 5W, yani orjinalin yarısı kadar.
Orjinal Şarj Cihazı                                                 Taklit Şarj Cihazı


Dışarıdan bakıldığında , soldaki orjinal cihaz ile sağdaki taklidi birbirine çok benziyor. Daha yakından bakarsanız yazılarda bazı farkları görebilirsiniz. Taklit cihazda "Apple Kaliforniya tasarımıdır, Çin'de üretilmiştir" anlamına gelen "Designed by Apple in California. Assembled in China" yazıları ve üretici adı olan "Foxlink" görünmüyor. Bunun nedeni büyük ihtimalle yasal yükümlülüklerden kaçış. [1] (Ama ilginç bir şekilde TM ve 
© 2010 Apple Inc. yazıları hala duruyor). Taklit cihazda birçok sertifika işareti de var (UL gibi) ama bunların hiçbiri gerçek değil. Aşağıda göreceğiniz gibi, güvenlik testlerini geçmesi mümkün değil.

Şarj cihazlarının içi açıldığında ise, aralarındaki büyük fark ortaya çıkıyor. Orjinal cihazın içi tıka basa parça dolu, zar zor sığmış gibi. Sağdaki taklit ise daha az parça barındırıyor ve içinde daha fazla boş yer var. Apple şarjında daha hacimli ve kaliteli parçalar (özellikle kondansatörler ve transformatör) kullanılmış. Aşağıda göreceğiniz gibi bu parçalar güç kaynağından çıkan gerilimin kalitesinde ve güvenlik açısından fark yaratıyor.

Orjinal Şarj Cihazı                                                 Taklit Şarj Cihazı
Güvenlikle ilgili bir şey çok açık: Apple şarjının yalıtımı çok daha iyi. Yüksek voltajlı üst kısım sarı yalıtkan bant ile kapatılmış. Bazı parçalar daralan makaron ile sarılmış, bazı parçalar arasında plastik yalıtkanlar var ve bazı kabloların fazladan yalıtımları mevcut. Taklit cihazda yalıtım en düşük düzeyde.

Apple şarjının işçilik ve malzeme kalitesi çok daha yüksek. Taklit cihazda bazı parçalar çarpık ve özensiz. Bu durum elektriksel devre performansını etkilemese de, yapımdaki işçiliğin kötü olduğunu gösteriyor.

Devre kartlarının altına bakıldığında ise, Apple şarjının çok daha karmaşık olduğu ortaya çıkıyor. Apple devresinde neredeyse hiç boş yer yok, her tarafta yüzeye monte (SMT-YMT) minik parçalar dolu. Taklit cihazda ise sadece birkaç parça var ve boş yer fazla. Orjinal cihazdaki kırmızı yalıtkan bant, fazladan bir güvenlik önlemi olarak göze çarpıyor.
Orjinal Şarj Cihazı                                                 Taklit Şarj Cihazı
Şarj cihazları nasıl çalışıyor?

Her iki şarj cihazı da flyback [2] prensibi ile çalışan anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) devreleri içeriyor. Anahtarlamalı güç kaynakları, bu şarj cihazların bu kadar küçük yapılabilmesini sağlayan bir devre tekniği. Eski transformatörlü ve ağır adaptörleri unutmamışsınızdır sanırım. Anahtarlamalı güç kaynağının temel prensibi, devreyi saniyede binlerce kez açıp kapamak. Bu sayede istenildiği kadar güç aktarılırken, ısı şeklinde kaybedilen güç de en düşük seviyede tutuluyor. Kullanılan frekansın yüksek olması da, transformatörün küçültülmesine ve 50/60 Hz'lik ağır transformatörlere göre çok daha küçük yapılmalarına olanak sağlıyor.

Taklit şarj cihazı daha basit olduğu için açıklamaya ondan başlayalım. Aşağıdaki resimde görüldüğü gibi, AC gerilim sol üstteki beyaz kablolar ile devreye giriyor. Daha sonra sigorta görevi de gören sigortalı dirençten geçiyor (fusible resistor). Onun altındaki köprü diyotlarla (bridge rectifier) AC'den DC'ye çevriliyor. Buradaki gerilim 170-340V arasında (110 veya 220V şebeke gerilimi) [3]) Giriş kondansatörü (input capacitor) doğrultulan gerilimi dalgalanmalardan arındırıyor. 4 bacaklı kontrol entegresi (IC) [4] şarj cihazının çıkışını izleyerek anahtarlama transistörünü (switching transistor) saniyede 41,000 kez açıp kapatıyor. Kıyılmış bu DC gerilim, flyback transformatörünün primer sargısına uygulanıyor. Transformatör gelen dalgayı yüksek akım verebilen 5V gerilime düşürüyor. Çıkıştaki diyot (output diode) gerilimi tekrar DC'ye çeviriyor ve çıkış kondansatörü de (output capacitor) dalgalanmaları yok ediyor. Son olarak da, çıkış gerilimi USB konnektöründe iPad'de kullanılmak için oluşmuş oluyor. Bunların dışında birkaç ek parça da var. Transformatördeki bir geribesleme sargısı kontrol entegresine çıkış gerilimi için geribesleme yapıyor. Bu sargı aynı zamanda entegrenin beslemesini de sağlıyor, üzerindeki küçük kondansatör de (IC power capacitor) entegre için DC'yi düzeltiyor. Son olarak da sönümleyici kondansatör (snubber capacitor) [5] transistör kestiğinde oluşan gerilim sıçramalarını söndürüyor. [6]

Taklit şarj cihazının iç yapısı
Aşağıda görülen orjinal iPad şarjı da benzer prensipler ile çalışıyor ama elektronik devresi daha karmaşık. Sağ altta AC girişi var. Daha sonra 2 amperlik bir sigortadan geçiyor (güvenlik için siyah yalıtılmış). Primerde taklit şarj cihazına göre çok daha fazla filtre var; filtre bobini (ortak mod şok bobini), bobin ve iki büyük elektrolitik kondansatör. Bunlar maliyeti arttırsa da, çıkış geriliminin kalitesini yükseltiyor. Çıkış tarafında (sol), iki filtre kondansatörü var (output capacitors). Bunlardan bir tanesi yüksek kaliteli alüminyum polimer bir kondansatör (pembe/eflatun gibi görünen). Y kondansatörleri parazitlerin azaltılmasına yardımcı oluyor. [7] Minik NTC sıcaklık sensörü de, şarj cihazı aşırı ısınırsa cihazı kapatıyor (fotoğrafta parçaların tam görünebilmesi için yalıtımların bir kısmı çıkarılmıştır)

iPad şarj cihazının iç yapısı
Devrelerin diğer tarafını çevirince Apple şarj cihazının öbüründen çok daha karmaşık olduğunu görüyoruz. Sağ üstteki AC girişinden başlayarak, şarj cihazında fazladan giriş filtreleri ve kıvılcım atlamaması için aralıklar var. [8] Yeniden çalışma devresi, [9] şarj cihazının arıza durumlarından sonra hızlıca sıfırlanmasını sağlıyor. Kontrol entegresi, [10] değişken koşullarda şarj cihazının tam kontrolüne olanak sağlıyor. (Bu entegrenin iç yapısı, taklit cihazın kontrol entegresinden çok daha karmaşık) Akım algılama direnci (current sense resistor) entegre devrenin transformatörden geçen akımı algılamasını sağlıyor. Şebeke voltaj dirençleri de (line voltage resistors) entegrenin giriş voltajını algılamasına yarıyor (aynı zamanda ilk açılışta entegreye gereken gücü de sağlıyorlar [9]). Koruma devresi, (protection) devrenin diğer yüzündeki sıcaklık sensörünü kullanarak, aşırı gerilim veya yüksek sıcaklık durumlarında cihazı kapatıyor. [20]

iPad şarj cihazının lehim tarafı

Sekonder tarafı da çıkış geriliminin kalitesini iyileştirecek bazı özellikler içeriyor. Y-kondansatör filtresi (Y-cap filter), Y kondansatörleri sayesinde devrede gürültüyü azaltıyor. Çıkıştaki filtre devresi de (output filter), taklit cihazdan çok daha karmaşık. Orjinal şarj cihazının toprak (ground) bağlantısı olduğuna da dikkat edin. Taklit cihazda bunun yerine sadece plastik bir çıkıntı var. [11]

Her iki şarj cihazı da, Apple'ın özel sistemini kullanıp, USB veri dirençleri ile (USB data resistors), USB veri hatlarına belli voltajlar vererek [12] iPad'e tipini belli ediyor. (Bunu doğru yapmayan şarj cihazlarında iPad "bu aksesuar ile şarj desteklenmiyor" hatasını veriyor). Bu dirençler sayesinde orjinal cihaz 2A'lik bir Apple cihazı olduğunu söylerken, taklit cihaz Apple 1A'lik bir şarj olduğu bilgisini yolluyor. Bu da taklit cihazın 10W paketine konmuş ama 5W'lık bir şarj cihazı olduğunu gösteriyor.

Bu devrelere bu kadar yakından bakınca, ne kadar küçük olduklarını unutabilirsiniz. Aşağıdaki resim, iPad şarjının içindeki yüzeye montaj elemanlardan birinin boyutunu gösteriyor. (0 ohm direnç [13]) Roosevelt'in çenesinin hemen solunda görebilirsiniz.


Güvenlik, ya da olmayan güvenlik
Şarj cihazını fişe taktığınızda güvenliği pek aklınıza getirmeseniz de, bu cihazlar için en önemli özelliktir. Şarj cihazının içindeki gerilim 340 volta kadar çıkıyor ve bu gerilim ile sizin ve iPad'inizin arasında fazla da bir şey yok. İşler ters giderse şarj cihazı yanabilir (aşağıdaki resim), sizi yaralayabilir ve hatta öldürebilir. Şarj cihazları ve benzerleri için çok sıkı güvenlik standartları mevcuttur, [14] tabii güvenilir bir üreticiden aldıysanız. Ucuza aldığınız taklit ürünlerde bu güvenlik standartları ihmal edilir. Güvenlik riskleri dışarıdan pek farkedilmese de, cihazın içini açtığınızda tehlikeleri gözle görmeye başlarsınız.

Yanmış bir taklit şarj cihazı. Fotoğraf : Anool Mahidharia
Yüzey kaçağı ve atlama aralığı
UL kuralları [14] yüksek gerilim ile alçak gerilimin birbirinden güvenli bir mesafede ayrılmasını şart koşar. Yüzey kaçağı (creepage) için belli bir mesafe ve arada hava olduğu zaman da (clearence) belli bir mesafe gerekir. Kurallar oldukça kapsamlı ve karmaşıktır ama özetle yüksek gerilim ile düşük gerilim arasında en az 4 mm olması gereklidir.


iPad şarjı yüzey kaçağı ve atlama aralığı için güvenli mesafelere sahiptir. Yüksek gerilim kısmı üstte, düşük gerilim kısmı altta.

Yukarıdaki fotoğraf, orjinal iPad şarjının yüksek voltajlı (alt) kısım ile düşük voltajlı (üst) kısmı nasıl ayırdığını gösteriyor. Sağdaki gülen yüz simgesi, primer ve sekonder arasındaki güvenli boşluğu işaret ediyor (devrenin geri kalanı elektronik parça dolu olmasına rağmen, burası bilinçli olarak boş bırakılmış). Bu 5.6 mm'lik boşluk, oldukça iyi bir güvenlik alanı sağlıyor. Soldaki gülen yüz simgesi de düşük ve yüksek gerilim alanlarını ayıran bir yarığı işaret etmekte.

Aşağıdaki resim, yalıtıcı bir kılıfın kapağa nasıl yerleştirildiğini ve USB konnektörünü nasıl koruduğunu gösteriyor. Ayrıca çevresindeki kırmızı-kahverengi bant ve tüm yüksek gerilim kısmını saran sarı bant ile birkaç katmanlı bir koruma sağlanıyor.

iPad şarjında USB bağlantısının çevresindeki plastik kılıf fazladan yalıtım sağlıyor.

Alttaki taklit şarj cihazında görülen yüzey kaçak mesafesi, yüksek ve alçak gerilim arasındaki sadece 0.6 mm ile korkutucu. Üzgün yüz simgesinin hemen altında düşük gerilim yolu ile yüksek geilim yolu neredeyse birbirine değecek kadar yakın. (sağdaki çizgiler milimetre göstermektedir) Sol taraf o kadar da kötü değil, oradaki gülen yüz transformatörün altındaki yeterli açıklığı işaret ediyor ve güvenlik sıkıntısı yok. Ancak genel anlamda bakılırsa, bu cihaz güvenli değil. Bu şarj cihazını nemli bir yerde, örneğin banyoda fişe takarsanız ve bu 0.6 mm'lik kısımda su yoğunlaşırsa, sonuç felaket olabilir!


Taklit iPad cihazında yüzey kaçağı tehlikesi


Transformatördeki güvenlik
Güvenliğiniz için, şarj cihazının yüksek gerilim ve düşük gerilim içeren bölümleri elektriksel olarak yalıtılmalıdır. [15] Ama elbette elektrik akımı da bir şekilde geçmek zorunda. Transformatör, manyetik alanları kullanarak gücü aktarırken, tehlikeli olabilecek doğrudan bir bağlantıyı da engelliyor. Transformatör bir şarj cihazının en büyük ve en pahalı parçası olduğu için, bu elemanda güvenlik ve kaliteden taviz verilebiliyor. Orjinal transformatör (solda) taklit olanından (sağda) oldukça büyük. Bu da daha kaliteli ve daha fazla güç kapasiteli olduğuna dair bir ipucu olabilir. Transformatörü sökünce, gerçekten de öyle olduğu görülüyor.


Solda iPad flyback transformatörü, sağda da taklit cihazınki. Para ve muz ölçek amaçlıdır.

Transformatörün güvenlik amaçlı ana görevi, yüksek voltajlı primer devre ile düşük voltajlı sekonder devreyi birbirinden ayırmaktır. Taklit cihaz burada çuvallıyor. Aşağıdaki resimler, primer sargıları ve yalıtkan bant çıkarıldıktan sonra transformatörleri göstermektedir. Sekonder sargılar görünür olmuş durumda. İlk bakışta teller benzer görünse de önemli farklar var. Orjinal şarj cihazında (solda) üçlü yalıtkan varken, taklit cihazın (sağda) yalıtımını sadece tel üzerindeki ince bir vernik sağlıyor. Üçlü yalıtkanlı tel çok önemli bir güvenlik önlemi. Yalıtkan bantta veya telin verniğinde bir kaçak olsa bile, yüksek voltajı hala yalıtabiliyor. Ayrıca, tellerin transformatörden çıktığı noktalardaki siyah ve beyaz izolasyonlara da dikkat edin. Taklit şarj cihazında sekonder sargı ile yüksek gerilimi ayıran tek şey yalıtkan bant. Bantta bir kaçak olması ya da tellerin fazla sıkı olması durumunda kaçak ve arıza kaçınılmaz.


iPAD'in (solda) ve taklit cihazın (sağda) transformatörleri

Orjinal şarj cihazı çok daha az parazit ile çok daha yüksek güç sağlıyor
Şarj cihazlarının çıkışları laboratuarda ölçüldüğünde taklit cihazın iki ana sorunu görünüyor. Öncelikle, taklit cihaz 10W yerine sadece 5.9W verebiliyor. İkinci olarak da, taklitin çıkış gerilimi çok fazla gürültülü ve tepecik dolu.

Aşağıda verilen gerilim-akım grafikleri, iPad şarjının (solda) ve taklit şarj cihazının (sağda) artan yük ile değişimini gösteriyor. Orjinal şarj cihazının grafiği sağa doğru çok daha fazla gidiyor, bu da çok daha fazla akım verebildiğini gösteriyor. Ölçümlere göre orjinal şarj en fazla 10.1 Watt, taklit ise en fazla 5.9 Watt verebiliyor. Bu da orjinal şarj cihazının iPad'i iki kat hızlı şarj etmesi anlamına geliyor. (Bu grafiklerin detayları için İngilizce şu orjinal yazıya bakılabilir : testing a dozen chargers.) Dikkat edilmesi gereken diğer nokta ise şu; Apple şarj cihazının grafiği düzgün ve ince, taklit cihazınki ise yayılmış durumda. Bunun anlamı da taklit cihazın çıkışının çok gürültülü ve düşük kaliteli olması.



Diğer grafik çifti ise güç çıkışının kalitesi üzerine fikir veriyor. Sarı çizgiler gerilimleri gösteriyor. Orjinal şarj cihazı ince ve düzgün bir hatta sahip iken, taklit cihazın çıkışı pekçok geniş gerilim sıçramaları içeriyor.(Grafikleri sayfaya sığdırmak için, taklit cihazın ölçeği yarı yarıya küçültülmüştür. Yani taklit cihaz, göründüğünden iki kat daha kötü). Taklit cihazın sarı grafiğinin alt sınırı da dalgalı, bu da şebekeden gelen 100 Hz (120Hz) ripple geriliminden kaynaklanıyor.




Turuncu grafik de çıkışın frekans spektrumunu gösteriyor. Düşük olan daha iyi, yükselme de eksponansiyel olarak kötüleşmeyi işaret ediyor. Taklit cihazın grafiği genelde daha yüksek, ayrıca anahtarlama frekansı civarında ciddi bir sıçrama mevcut. Bu da taklit cihazın tüm frekans spektrumu boyunca güç çıkışının daha kötü olduğunun göstergesi.

Peki, güç çıkışının kalitesi gerçekten önemli mi? Kötü kaliteli çıkış en çok dokunmatik ekranın işlevlerini etkiliyor. Kötü bir güç kaynağından gelen girişimler, ekranın düzensiz çalışmasına yol açıyor. [16] Şarj cihazını taktığınızda ekranda sorunlar oluşuyorsa, sebep büyük ihtimalle şarj cihazının kendisidir.


Orjinal şarj transformatörünün iç yapısı
Bir transformatörün içinde beklediğinizden fazlası var. Bu bölümde orjinal şarjın transformatörü tamamen sökülüp incelenecek.


Yukarıdaki ilk resim, sarı izolasyon bandının altındaki ilk katmanı gösteriyor. Ferrit çekirdeği topraklamak için çevresine bakır bir şerit sarılmış. Ferrit çekirdeği çıkardığınızda ise diğer yalıtımlar da ortaya çıkıyor; çift izolasyonlu primer sargı. Giriş voltajı bu sargıya veriliyor.



Primer sargıyı ve bir miktar daha izolasyon bandını çıkardığınızda üç telli geribesleme sargısını görebiliyoruz. Bu sargı kontrol entegresine hem geribesleme hem de besleme gerilimini sağlıyor. (Fotoğrafta bu sargı transformatörün çevresinde açılmış olarak görülüyor). Yine bir miktar izolasyon bandını çıkardıktan sonra, sekonder sargı görünmeye başlıyor. Daha önce bahsedildiği gibi sekonder sargı üçlü yalıtkanlı ve ayrıca transformatörden çıkış noktalarında fazladan yalıtım var. Son yalıtım katmanı (sağdaki resim) bir bakır folyo da içeriyor. Bu bakır, yüksek frekanslı girişimleri azaltmak için.



Son olarak, iPad şarjının Flyback transformatörünün en alt katmanına ulaşıyoruz (üstte). Burada primer sargının diğer yarısı var. Primer sargıyı böyle iki katmanda yapmak çok daha pahalı bir yöntem ama manyetik alanların çok daha iyi eşleşmesi sayesinde çok daha iyi bir transformatör ortaya çıkıyor.

Karşılaştırırsak, taklit cihazın transformatörünün kalitesi çok daha kötü. (Taklit cihaz resimlerini çok fazla yer kaplamasın diye eklemedim, bağlantılara tıklayarak inceleyebilirsiniz). Yalıtım bandı ile ayrılmış bir geribesleme sargısı (fotoğraf), sekonder sargısı (fotoğraf), ve primer sargısı (fotoğraf) mevcut. Masrafdan kaçmak için, taklit cihazın transformatöründe orjinalinde olduğu gibi bakır folyo mevcut değil. Orjinalinde mevcut olan ama daha pahalı olan çok telli sargıları da kullanmıyor. Yukarıda da bahsedildiği gibi, sekonder sargısı da üçlü izolasyonlu tel ile değil, sadece bakır telle sarılmış. Bu da ciddi bir güvenlik sorunu elbette.


iPad şarj cihazı ile iPhone şarj cihazının farkları neler?
iPad şarj cihazı, iPhone şarjına göre oldukça büyük ama iki kat fazla güç sağlayabiliyor. İngilizce detaylı bir iPhone şarjı iç incelemesine şu yazıdan ulaşılabilir : iPhone charger teardown. iPhone şarjı (aşağıda) sadece 1 inç-küp hacimde iki devre kartı barındırıyor, bu da etkileyici bir mühendislik başarısı. Hem iPhone hem de iPad şarj cihazları Flyback anahtarlamalı güç kaynağı devresi içeriyor. Ancak geribesleme mekanizmaları birbirinden farklı. [17] Ben iPhone şarjını tasarım açısından daha çok beğeniyorum, çünkü çok daha küçük bir hacime benzer bir devreyi sığdırmayı başarmışlar.



Devre Şemaları
iPhone şarjını açtığımda şemasını çıkarmıştım ama iPad şarjı için buna gerek kalmadı. Orjinal iPad şarjı, iWatt tarafından verilen [18] referans tasarım şemasına çok benziyor. Taklit şarj cihazı ise DB02A controller datasheet devresiyle hemen hemen aynı. Şemalardan da görüldüğü gibi, orjinal cihazın devresi, taklit cihaza göre çok daha karmaşık. (Dökümanlara ulaşmak için şemaların üzerine tıklayın)


Apple şarjına verilen paraya değer mi?
Apple'ın şarj cihazı diğerleri ile kıyaslandığında pahalı, ama bir o kadar da kaliteli bir ürün. Öncelikle taklit şarjlardan mutlaka uzak durmalısınız, çünkü hem düşük kaliteli, hem de tehlikeliler. Bilinen markaların şarj cihazları ise genelde kaliteli, hatta bazıları Apple'ınkinden bile iyi. Mutlaka Apple olsun derseniz, ikinci el satan bir siteden Apple şarjı da alabilirsiniz. Sağlam oldukları için ikinci elde de sıkıntı yaratmıyorlar.

Apple'ın kar marjı bu tür cihazlarda çok yüksek. (Amerika'da) fiyatları 29 dolardan 19 dolara indirdikleri halde, hala marjları çok yüksek olmalı. Kaliteli rakiplerine göre bile fiyatları hala çok yüksek. [19]

Ne olursa olsun, iPad şarj cihazı etkileyici bir mühendislik eseri ve ilgi çekici bir devre tasarımına sahip. Aslına bakarsanız, taklit şarj cihazı da kendi çapında çok etkileyici. Bu fiyata bir şarj cihazı nasıl üretilir ve satılır, anlamak mümkün değil (kalite ve güvenlik bir yana bırakılırsa). Sonuçta hemen her zaman ödediğinizin karşılığını alıyorsunuz. Dışarıdan çok benzeseler de, iç görünümleri ve kaliteleri çok farklı.


Notlar ve kaynaklar

[1] Foxlink (Tayvan), Foxconn (Tayvan) ve Flextronics (Singapur) Apple'ın üreticileri ve isimleri birbirine karıştırılabiliyor. Foxconn ana cihazın üreticisi ve işçilere davranışı tartışılan bir firma. Şarj cihazı yapan Foxlink ise farklı bir firma. İşin ilginç tarafı ise, bu iki firmanın başındaki kişiler kardeş ve birbirleri ile bayağı iş yapıyorlar. Yine de iki şirket birbirinden tamamen bağımsız, yasal olarak hiçbir bağlantıları yok. Foxconn ve Flextronics ise dünyanın 1. ve 3. en büyük elektronik cihaz üretim şirketleri. Foxlink onlardan daha küçük bir firma.

[2] Şarj cihazları flyback denilen devre tasarımını kullanıyorlar. Transformatörler beklediğinizin "tersine" çalışıyorlar. Transformatöre bir gerilim darbesi geldiğinde, çıkış diyodu çıkışı tıkıyor ve çıkışı engelliyor. Bu sayede, çıkış yerine, transformatörde bir manyetik alan oluşuyor. Transformatör çekirdeğinde bu alanı saklamak için bir açıklık (air gap) var. Gerilim girişi kesilince, manyetik alan, gücü çıkış sargısına aktararak boşalıyor. Flyback yöntemi, düşük güçlü anahtarlamalı güç kaynaklarında en sık kullanılan yöntem.

[3] Güç kaynağının içindeki DC gerilimin neden bu kadar yüksek olduğunu merak edebilirsiniz. Diyot, kondansatörü AC gerilimin tepe noktasına kadar dolduruyor ve DC gerilimi oluşturuyor, bu da giriş gerilimini 2'nin karekökü ile çarpmak demek. Bu hesaba göre, 100 - 240 V AC, 145 - 345 arası DC demek. 


Bu arada yazıda kullanılan "yüksek gerilim" ve "düşük gerilim" elektrik mühendisliğinde kullanılan gerçek kavramlar değil, sadece anlaşılır olması için. Örneğin 50V AC'nin ya da 120V DC'nin altı literatürde "ekstra düşük voltaj" olarak adlandırılır ve tehlikesiz sayılır. Ama 5V çıkışı kolaylık olsun diye "düşük voltaj" olarak adlandırdım.

[4] Taklit şarj cihazı kontrol entegresi olarak DB02A kullanıyor. Bu entegrenin sadece 4 bacağı var ve TO-94 (SIP-4) kılıfında. (Resmi JEDEC standardına göre, TO-94 büyük tristörlerde (SCR) kullanılan, vidalı bir kılıf. Nedense bazı üreticiler 4 bacaklı bu kılıflara TO-94 adını veriyorlar, yani bir karışıklık var).


Entegrenin datasheet dökümanında (Çince), 500-1000 mA'lik şarj cihazları için tasarlandığı belirtiliyor, bu da taklit cihazın neden sadece 5W verebildiğini açıklıyor. Oysa iPad şarjı 10W verebiliyor. Bu entegre inanılmaz ucuz, fiyatı 6 sent civarında.

Buna benzer bir Amerikan malı entegre çok aramama rağmen bulamadım. Anlaşılan Çin'de tasarlanmış, sadece Çince dökümanı olan ve Çinde Shenzhen Fuman Electronics tarafından üretilen bir entegre. Dört bacaklı da olunca, bu entegrenin ucuz, bir-iki transistörlü Ringing Choke Converter (RCC) devresi olduğunu düşünmüştüm. İçini açtığımda ise daha karmaşık bir entegre buldum. Aşağıda mikroskop altında yongayı görebilirsiniz. Kenarları yaklaşık 1 mm uzunluğunda. İlginç bir özellik olarak, yonganın çevresinde beyaz küçük kareler var. Bunlar çipin içinde bazı sigortaları yakarak direnç ayarı yapmaya yarıyor. Açıkçası bu karmaşıklıkta ve kalitede bir entegre beklemiyordum. Yonganın üzerinde sağda "N7113 802" etiketi var ama ne anlama geldiğini bilmiyorum. Dört bacağın üçü sol altta, bir tanesi de sağ alttaki pedlere bağlı.



[5] Bir diyot ya da transistör anahtarlama yaptıkça gerilim sıçramaları yaratır. Bu sıçramalar sönümleme (snubber) ya da kırpma (clamp) devreleri ile kontrol edilebilir. Bu konuda İngilizce bazı kaynaklar : Passive Lossless Snubbers for High Frequency PWM Conversion ve Switchmode Power Supply Reference Manual.

[6] Taklit şarj cihazında, anahtarlama transistörü olarak NPN güç transistörü ALJ 13003 kullanılıyor (datasheet), üreticisi de Shenzhen LongJing Microelectronics Co. Bu transistör, Motorola'nın 1976'da piyasaya sürdüğü anahtarlama transistörü MJE 13003'ün bir benzeri (MJE, plastik kılıfta güç transistörünü gösteriyor). Köprü diyot ise B6M (datasheet). Çıkış diyodu 
Schottky bariyer diyodu olan SR260.

[7] iPad şarj cihazı yüksek ve düşük voltaj kısımları arasında Y-kondansatörler kullanıyor. Bu kondansatör elektromanyetik girişimleri azaltıyor. Ayrıca güvenlik sorunu yaşamamak için özel tasarlanmış. Yine de çok az miktarda akım geçirebiliyor. Şarj cihazından hafif bir elektriklenme hissediyorsanız, büyük ihtimalle sebebi bu kondansatördür. X ve Y kondansatörleri hakkında İngilizce kaynaklar için : Kemet'in sunumu ve Designing low leakage current power supplies.

[8] iPad şarjında, L1 bobininin (girişteki AC şok bobini) yanında iki tane kıvılcım atlama boşluğu var. Bu boşluk hakkında fazla bilgi bulamadım; ama şu İngilizce kaynakta (Infineon SMPS design) benzer tasarımlar var ve 3kV'a kadar yıldırım şokunu atlatabilmek üzere tasarlanmışlar.

[9] Apple şarjında bir "kilitlenme çözme" devresi var. Bir sorun olduğunda kontrol entegresi, şarjı prizden çekene kadar devreyi kapatıyor. Şarjı prizden çektiğinizde içindeki kondansatörler yüzünden devre bir süre daha çalışmaya devam ediyor (prizden çektiğinizde LED'lerin bir süre daha yanık kaldığını görmüşsünüzdür). İşte bu "kilitlenme çözme" devresi, fişten çekip çok hızlı geri taksanız dahi şarj cihazının sıfırlanmasını (reset) garantiliyor. Bunu yapmak için girişe ayrı bir köprü diyot ve kondansatör eklenmiş. Bu devredeki kondansatör çok daha küçük olduğu için daha hızlı boşalıp sıfırlıyor (detaylar için şemaya bakabilirsiniz). Bu çok nadir olacak durum için bile fazladan devre eklenmesi de bana biraz aşırı gibi görünüyor.

Normal kullanımda, kontrol entegresi transformatörün geribesleme sargısından besleniyor. Ama kontrol entegresi çalışmadan da transformatörün çalışması imkansız. Bu yumurta-tavuk durumundan kurtulmak için, kontrol entegresi başlangıçta gücünü AC giriş voltajından alıyor. Devre çalışmaya başladığında da entegre transformatörden beslenmeye geçiyor.

[10] Orjinal şarj cihazı iWatt tarafından üretilen kontrol entegresi 1691'i kullanıyor. Bu entegre giriş voltajını, transformatörden akan akımı ve transformatörden gelen gerilim geribeslemesini izliyor. Yüksüz, düşük yüklü ya da yüksek yüklü durumlar için anahtarlama frekansını ve gücün ne uzunlukta açık tutulacağını kontrol edip, aynı zamanda hatalı durumlar için de sürekli izleme halinde. iW1691'in İngilizce detaylı bir sunumu burada bulunabilir. Bu entegrenin fiyatı 30 sent civarında ama, eminim Apple daha iyi bir fiyat almıştır.

[11] Orjinal şarj cihazının fişe bağlandığı kısımda metal bir topraklama ucu var, taklitte ise bu parça plastik. Şarj cihazlarının fiş kısmını çıkardığınızda iki cihaz arasında görebileceğiniz tek fark bu. İşin ironik tarafı ise, Amerikan fişi kullandığınızda toprak ucunun kullanılmaması. Yani bu güvenlik önleminin pratikte bir faydası yok (Benim notum : aslında bizim kullandığımız fişlerde de toprak yok, sanırım sadece İngiliz fişlerinde toprak ucu kullanılıyor).

[12] Apple şarj cihazının tipini telefon ya da tablete tanıtmak için kendine özel bir yöntem kullanıyor. Apple'ın her değişik şarj cihazında değişik dirençler kullanılıp, USB D+ ve USB D- uçlarına değişik gerilimler uyguluyor. Daha fazla bilgi için bu İngilizce kaynaklara göz atabilirsiniz.

[13] Şarj cihazının içinde süperiletken olsa iyi olurdu tabii ama sıfır-ohm direncin değeri, aslında 0 ohmdan biraz fazla. Böyle bir direnç anlamsız görünse de, üreticiler ileride tasarım değiştirip, bu direncin yerine başka bir direnç koyabileceklerini hesaplayarak devreye ekliyorlar.


[14] Şarjın dışında ilginç bir yazı var : "bilgi teknolojisi cihazları ile kullanmak içindir" şeklinde. Bu yazı, şarj cihazının belli yalıtım boşlukları da gerektiren UL 60950-1 standardına uyduğunu gösteriyor. Yalıtım boşlukları hakkında İngilizce kaynaklar için : i-Spec Circuit Separation ve bu kaynağa bakabilirsiniz.

[15] Şarj cihazının yüksek ve alçak gerilimli kısımları arasına sadece bazı özel parçalar bağlanabilir. Bu özel parçaların en barizi transformatör. Ayrıca Y-kondansatörler de bağlanabiliyor. Bu kondansatörler tehlikeli miktarda akım geçirmedikleri gibi, bozulduklarında da kısa devre olmayacak şekilde özel olarak imal ediliyorlar. Aktarımı ışık ile yapan optoizolatörler de (optocoupler) kullanılabilir ama iPad şarjında tercih edilmemiş, iPhone şarjında ise mevcut.


[16] Ucuz şarj cihazlarının parazitli çıkışlarının dokunmatik ekranlara neden iyi gelmediğini şu İngilizce kaynaktan okuyabilirsiniz : Noise Wars: Projected Capacitance Strikes Back. Bu makalede, kapasitif dokunmatik ekranların entegrelerinin pico-Coulomb seviyesinde elektrik yükünü nasıl algıladıkları ve AC parazit mevcutsa bunun neden zorlaştığı anlatılıyor. Makale, dokunmatik ekran problemleri için ucuz taklit şarj cihazlarını suçluyor.

[17] iPhone ve iPad şarjları arasındaki en büyük fark, gerilimi düzenlemek için kullandıkları geribeslemenin türünde. iPhone şarjı, çıkış gerilimini bir TL431 entegresi ile ölçüp, optoizolatör vasıtası ile kontrol entegresine geribesleme gönderiyor. iPad şarjı ise düzenlemeyi primer tarafında yaparak bu parçalardan tasarruf ediyor. iPad şarjının kontrol entegresi, çıkış gerilimini ölçmek yerine, geribesleme sargısındaki voltaja bakıyor. Aslında bu da çıkış voltajına bağlı olduğu için bir anlamda çıkışı ölçmüş oluyor.

[18] iPad'in şarj cihazı ile iWatt'ın 1691 referans şarj cihazı tasarımı arasında sadece bir-iki önemsenebilecek fark var. Bu da iWatt'ın Apple adına tasarımın büyük bir bölümünü yaptığı anlamına geliyor.

Apple'ın şarjı ile referans tasarımı karşılaştırdığınızda filtrelemede birkaç geliştirme göze çarpıyor. Şarj cihazında giriş köprü diyotlarında RC sönümleme devresi var. (iPhone şarjında da olan ama diğer markalarda nadir görülen bir özellik). Şarj cihazında ayrıca sekonder tarafta filtreleme için fazladan bir diyot ve anahtarlama transistörünü süren devrede de bir (zener?) diyot mevcut. iPad şarjı bir yerine iki adet Y-kondansatör kullanıyor. Ayrıca sekonder tarafta Y-kondansatöre eklenmiş bir R/C filtresi de var. Yine şarj cihazında şebeke toprağı ile sekonder tarafın şasesi arasında bir direnç mevcut. Referans tasarımda USB hattına bağlanan dirençler de görülmüyor [12].

[19] Bazı okuyucular, Apple'ın yüksek kar marjından bahsederken, bu şarj cihazının tasarımına harcanan paraları gözönüne almadığımı söylüyorlar. Diyelim ki Apple bu şarj cihazının tasarımına 2 milyon dolar harcadı. 200 milyon şarj cihazı satıldığında, şarj cihazı başına sadece 1 sent maliyet gelirdi. Dahası, karmaşık kontrol entegresini ve referans tasarımı yapan iWatt tasarımcıları zaten tasarımın büyük bir bölümünü halletmişler.

[20] Parçalarla ilgilenenler için; iPad şarj cihazının ana diyotları (F6w) 1.5A 60V'luk Schottky Bariyer Diyodu (datasheet). "T3" diyotları hızlı anahtarlama diyotlarıdır (datasheet). Anahtarlama transistörü Infineon SPA04N60C Cool MOS® 650V güç transistörüdür (datasheet). Köprü diyot MB10S CD 0.5A köprü olup yüksek voltaj sıçramalarına dayanıklıdır (datasheet). Koruma devresindeki transistör gibi görünen BAV70, bir çift yüksek hızlı anahtarlama diyodudur (datasheet). Çıkış diyodu SBR10U45SP5 10A süper bariyer doğrultucudur (datasheet). Y-kondansatörleri 220pF 250V değerindedir. Giriş kondansatörleri, Samxon 10µF ve 4.7µF 400v elektrolitik kondansatörlerdir. Çıkıştaki kondansatörler Koshin KLH 820µF 6.3V alüminyum elektrolitik ve 820 µF 6.3V X-CON ULR alüminyum polimer kondansatördür. (normal bir elektrolitik kondansatöre göre daha pahalıdır ama ESR (Eşdeğer seri direnç) değeri daha düşük olduğu için filrelemesi daha iyidir)

iPad şarjının iç yapısı : ucuz taklidini alırsanız ölümle aranızda 0.6 mm olabilir! iPad şarjının iç yapısı : ucuz taklidini alırsanız ölümle aranızda 0.6 mm olabilir! Reviewed by Firat Tarman on Kasım 23, 2014 Rating: 5

3 yorum:

  1. Birşeyler başarabilmek için gerçekten çok çalışmak gerekiyor.

    YanıtlaSil
  2. iyi akşamlar diliyorum öncelikle detaylı araştırmanız güzel olmuş elinize sağlık bir sorum olcaktı bi şarj aleti aldım iphone herşey tamam güzel hoş içinde seri numarası yazıyor ama en sonda bu madein china salcomp yazıyor orjinalmidir çakmamıdır aldığım kişi kutuda çıktığını söylüyor

    YanıtlaSil
    Yanıtlar
    1. Üretim yeri Çin olmayan adaptör sanırım yoktur. Salcomp'un Apple'a üretim yapıp yapmadığını bilemiyorum, kendi sitelerinde de birşey yazmıyor. İçini açamayacağınıza göre, en iyisi bir arkadaşınızdan orjinal olduğuna emin olduğunuz adaptörünü ödünç alıp karşılaştırmak. Taklit cihazları orjinaline çok benzer yapıyorlar ama mutlaka bir yerden belli olur diye düşünüyorum.

      Sil

Blogger tarafından desteklenmektedir.