Chargeur 003

Caractéristiques principales

Tension : +5.0 V
Courant : 100 mA à 1000 mA
Régulée : Oui, en tension

Présentation

Ce chargeur est destiné à la charge du ou des accumulateurs inclus dans les appareils portables qui requièrent une "connection" USB pour leur fournir l'énergie, tel que téléphone portable, appareil photo ou lecteur multimédia. Tout le monde sait (?) que le bus USB véhicule une tension continue de 5 V et que cette tension peut servir pour la charge de certains appareils portables. Alors pourquoi, si les choses sont si simples, rencontre-t-on parfois quelques difficultés à obtenir une charge correcte et rapide ? Certains appareils seraient-ils sciement "verrouillés" par leur fabricant pour imposer l'usage de tel ou tel chargeur ? J'ai peine à le croire. Vous trouverez sur cette page quelques explications et plusieurs schémas de chargeur USB :
- Schéma 003 : version de base, classique, convient pour les appareils "standards".
- Schéma 003b : version améliorée et plus "compatible" avec les appareils récalcitrants (tels que iPod ou iPhone).
- Schéma 003c : bonus proposé par Jean-François, version avec batterie locale d'appoint.
- Schéma 003d : version "compatible" avec les appareils récalcitrants et avec limitation de courant (usage d'un régulateur de tension L200).
- Schéma 003e : version "compatible" avec les appareils récalcitrants, sans régulation ni de tension ni de courant (usage alim 5 V existante).
- Schéma 003f : pour testeurs aguerris.

Avertissements

Le présent article traite d'un sujet "dangereux" pour les non initiés, une mauvaise manipulation peut engendrer des dégâts matériels irréversibles au périphérique. Je ne saurais être tenu responsable de quelconque dommage physique ou matériel lié à une mauvaise compréhension ou mauvaise utilisation de ce qui est dit dans les lignes qui suivent. Vous seuls êtes responsables de ce que vous faites. Si vous avez le moindre doute, abstenez-vous de réaliser les montages décrits ici et contentez-vous d'utiliser un chargeur du commerce.

Rappels concernant le bus USB

Avant de commencer, rappelons que le bus USB comporte quatre fils de liaison, deux pour l'alimentation (masse 0 V et +5 V, ce second étant aussi appelé VBUS) et deux qui sont torsadés entre eux pour les données (Data+ et Data-).



Les deux fils d'alimentation sont utilisés par les périphériques qui peuvent fonctionner sans alimentation secteur additionnelle, comme les claviers et les souris, mémoires de masse (clés USB ou disques durs) ou encore certains scanners. Pour les appareils gros consommateur d'énergie qui ne peuvent se satisfaire des quelques centaines de mA mis à disposition de l'ordinateur (routeurs ou imprimantes par exemple), une alimentation externe est requise et dans ce cas le fil +5 V du connecteur USB n'est pas utilisé pour l'alimentation du périphérique. La quantité de courant mis à disposition par l'ordinateur dépend du périphérique, ou tout du moins de la façon dont il se déclare au moment de sa connexion. Lors de la connexion du périphérique en effet, l'ordinateur voit évoluer la tension sur les deux fils Data+ et Data- (qui au repos est quasi-nulle) et amorce un dialogue avec le périphérique pour en savoir plus sur lui, ce dialogue s'appelle énumération. Tant que l'énumération USB (reconnaissance du périphérique et attribution d'une adresse unique) n'est pas finie, l'ordinateur permet le débit d'un courant sur les lignes d'alimentation du bus USB concerné, qui ne peut dépasser 100 mA. Si le périphérique a besoin de plus de courant, il doit le "signaler" à l'ordinateur et pour ce faire il doit avoir assez d'intelligence pour le faire.

Remarques

• D'un point de vue électronique, il est très difficile de garantir la valeur d'une tension, surtout quand les courants mis en jeu ne sont pas toujours connus. Pour cette raison la norme USB autorise une tension de 5 V +/-5%, ce qui conduit à une plage de tension acceptable comprise entre 4,75 V et 5,25 V. En même temps, il est demandé aux périphériques USB d'être assez tolérant sur la tension véhiculée par le câble USB.
• Une unité de charge a été définie à 100 mA pour l'USB 2 et à 150 mA pour l'USB 3. Un périphérique ne peut pas consommer plus de 5 unités de charge en USB 2 (soit un courant max de 500 mA) ni plus de 6 unités de charge en USB 3 (soit un courant max de 900 mA). Les appareils dits "haute puissance" sont ceux qui demandent le maximum permis (ce sont aussi eux qui peuvent mal fonctionner sur certains ordinateurs dont l'alimentation principale ou les circuits de régulation sont un peu limites).
• Un connecteur USB 2 n'est pas fait pour supporter plus de 1,5 A en régime continu (limitation liée aux points de connexion physiques).
• Côté ordinateur (host ou hôte), une résistance de 15 kO est connectée entre chacune des lignes Data+ et Data- et la masse du port USB. Au repos, quand aucun périphérique n'y est attaché, les deux ligne Data sont à l'état logique bas (0 V, situation appelée Single-Ended zero, ou SE0 dans la norme USB). Le périphérique que l'on connecte au port USB a de son côté une résistance de 1,5 kO entre une des lignes Data et le +5 V (VBUS), ce qui fait que la ligne concernée passe à un état logique reconnu comme haut. Dans la norme USB 1, la résistance est sur la ligne Data+ pour un périphérique rapide et est sur la ligne Data- pour un périphérique lent.

Port USB de charge (Charging port)

A l'origine, un port USB n'était fait que pour transporter des données, par pour charger un téléphone portable ou un appareil photo numérique. Depuis 2007, une nouvelle spécification a vu le jour pour ajouter de nouvelles règles à celles existantes, afin de tenir compte des nouveaux types de périphériques autonomes et dotés d'une batterie. C'est ainsi q"un port USB "de charge" est capable de fournir jusqu'à 500 mA (au lieu de 100 mA max) même quand aucune négociation n'a eu lieu, c'est à dire quand le périphérique reste passif d'un point de vue dialogue informatique et ne fait pas savoir qu'il a besoin de plus de courant. Avec ce type de port, la tension peut être automatiquement réduite si le périphérique demande un peu trop de courant, et même être complètement coupée (shutdown) s'il s'avère décidement trop grourmand. Il existe deux types de ports USB de charge :
- ceux qui supportent les échanges de données (comme un bus USB traditionnel);
- ceux qui n'incluent aucune intelligence et qui se contentent de fournir une tension pour la charge de la batterie.
L'équipement connecté à un port USB de charge reconnait à quel type de port il a affaire à la façon dont les deux fils Data+ et Data- sont raccordés. Sur un port USB de charge dédié, les deux fils Data+ et Data- sont simplement court-circuités, c'est à dire raccordés entre eux. La différence de potentiel entre ces deux fils est pour cette raison toujours nulle. Les appareils appelés "chargeurs USB" ou "convertisseur d'alimentation USB" (pour usage avec prise allume-cigare de voiture par exemple) sont forcement de type port USB de charge dédié. Un port USB de charge peut rester alimenté même quand l'ordinateur est éteint, ce qui n'est pas le cas d'un port USB standard (surtout vrai pour les ordinateurs portables quand ils ne sont pas raccordés au secteur et fonctionnent sur batterie).

Schéma 003 - Version de base

Ce schéma convient pour un appareil "simple" qui se contente de pomper l'énergie dont il a besoin sur les deux lignes d'alimentation du port USB. Il ne convient pas ou ne suffit pas pour certains appareils sophistiqués tel que iPhone ou iPod (pour ces derniers, voir schéma 003b).



Le composant marqué BAT1 sur le schéma représente la source de tension qu'on doit appliquer à l'entrée du régulateur de tension intégré U1 / LM317. Il peut s'agir d'une batterie 12 V de voiture ou de la sortie d'une alimentation secteur du commerce. Cette source doit être en mesure de débiter un courant de 500 mA ou 1 A, cela dépend de l'appareil que vous souhaitez recharger. Idéalement et pour limiter la dissipation thermique du régulateur, il faudrait une tension source de 8 V ou 9 V, car une tension de 12 V en entrée pour une tension de 5 V en sortie avec un courant débité de 500 mA occasionne déjà une dissipation de puissance de 3,5 W (un tout petit peu moins en fait si on laisse la diode D1 en place). Et tant qu'à faire, autant limiter la taille du dissipateur thermique à placer sur le régulateur de tension (qui peut chauffer bien fort). Les deux résistances R2 et R2' associées à R1 fixent la tension de sortie à 5 V. Cette tension pourra en pratique différer légèrement car la tolérance sur la tension de sortie du régulateur est de +/-5%. On pourrait utiliser un potentiomètre ajustable à la place de R2 et R2' mais ici je ne le conseille pas pour des questions de fiabilité mécanique. Oh, un détail : le régulateur LM317 que j'aime bien et que je propose ici peut bien sûr être remplacé par un régulateur de tension de type 7805 (LM7805 ou UA7805 par exemple), vous pourrez ainsi supprimer les résistances R1, R2 et R2'. Attention, les brochages entre LM317 et 7805 diffèrent, voir brochages ci-après.

 

La diode D2 protège le régulateur de tension si un appareil reste connecté en sortie du chargeur alors que ce dernier ne reçoit aucune tension sur son entrée (rien au niveau de BAT1). Dans ce cas en effet la diode D2 conduit et la tension "inverse" entre sortie et entrée du régulateur de tension est maintenue à une valeur non dangereuse pour le composant. La LED D3 (témoin présence tension) et sa résistance R3 de limitation de courant est facultative, mais mieux vaut la laisser en place, il est toujours rassurant de savoir que la sortie du chargeur délivre bien quelque chose. Les deux lignes Data+ et Data- du connecteur USB ne sont raccordées à rien et sont laissées en l'air, c'est normal et cette configuration de câblage suffit pour les gentils appareils qui ne cherchent pas à vous imposer l'achat d'un chargeur spécifique.

Schéma 003b - Version compatible avec les appareils "difficiles" (iPhone par exemple)

Ce schéma n'est guère différent du précedent. Seules deux paires de résistances montées en diviseur de tension ont été ajoutées sur chacune des lignes Data. Là encore le régulateur de tension LM317 peut être remplacé par un LM7805.



Les résistances additionnelles (R4 à R7) fixent une valeur de tension bien précise sur les lignes Data+ et Data-, cette astuce est documentée sur la page Minty Boost du sit Ladyada. Selon le type d'appareil à recharger, ces résistances sont en totalité ou en partie obligatoire. C'est ainsi que dans certains cas deux résistances suffisent, une connectée sur chaque ligne Data, soit vers le +5 V soit vers la masse. Le tableau qui suit résume les diverses tentatives de connexions résistives sur les lignes Data qui peuvent être envisagées, en fonction de divers tests réalisés et aussi (et surtout) en fonction de ce qu'on peut trouver sur certains chargeurs USB du commerce...

Nota 1 - La tension appliquée sur les lignes D+ et D- est égale ou voisine de 2,0 V.
Nota 2 - La tension appliquée sur D+ est de 2,0 V et la tension appliquée sur D- est de 2,8 V. Le rapport des résistances 75 kO / 51 kO est identique au rapport des résistances 100 kO / 68 kO (1,47), et le rapport des résistances 43 kO / 51 kO est identique au rapport des résistances 100 kO / 120 kO (0,83~0,84).

Schéma 003c - Version de Jean-François avec batterie d'appoint

Ce schéma dispose de sa propre source de tension, constituée de quatre élements rechargeables. En d'autres termes, des accus pour recharger des accus. Mais il peut aussi servir de source de tension d'appoint, son rôle n'est pas cantoné à celui de chargeur.



Le montage dispose d'un inverseur double (DPDT SW1) qui permet de choisir entre deux modes de fonctionnement :

• Mode Charge : le +12 V provenant de la batterie voiture BAT1 (via prise allume-cigare) est appliqué à l'entrée du régulateur de tension U1 / LM317 qui est câblé en générateur de courant constant. En même temps, le fil +5 V (VBUS) du connecteur USB est déconnecté de la batterie locale BAT2. La LED D3 ne s'allume que dans ce mode.
• Mode Utilisation : le +12 V provenant de la batterie voiture BAT1 (via prise allume-cigare) est déconnecté de l'entrée du régulateur de tension U1 / LM317 qui ne sert alors plus à rien. En même temps, le fil +5 V (VBUS) du connecteur USB est connecté sur la batterie locale BAT2, qui est supposée être chargée.

La batterie BAT2 préconisée (ou tout du moins utilisée) est constituée de 4 accus de 1,2 V / 2700 mAH montés en série pour former une source de tension unique de 4,8 V / 2700 mAH. Le courant de charge imposé par le régulateur et la résistance R1 est ici de
I = 1,25 / R1
Avec R1 = 4,7 ohms, le courant de charge de BAT2 est de
I = 1,25 / 4,7 = 0,26 A
ce qui correspond à 1/10 de la capacité des accus. Dans ces conditions la dissipation de puissance du régulateur de tension U1 est d'environ 2 W (différentiel tension entrée / sortie régulateur d'environ 8 V pour un courant de 0,26 A).

Schéma 003d - Version avec limitation de courant

Il va être difficile de faire plus complet, cette version offrant les caractéristiques d'ensemble de la version "compatible" (schéma 003b), avec en plus une limitation de courant intégrée.



Le régulateur de tension n'est plus un LM317 ni un LM7805, mais un L200 qui se présente dans un boitier similaire mais avec 5 pattes au lieu de trois comme pour les régulateurs précédents.

Tension de sortie

La valeur de sa tension de sortie est déterminée par le rapport entre la valeur ohmique des résistances R1 et R2 selon la formule suivante :
Vout = 2,77 x (1 + (R1 / R2))
Les valeurs proposées ici permettent de disposer d'une tension de sortie théorique de 5,05 V, tout du moins tant que la limitation de courant n'entre pas en jeu car quand cela est le cas la tension de sortie chute (cette chute est progressive et s'accentue à mesure que le courant demandé augmente).

Courant max de sortie

La valeur de la limitation de courant Imax est fixée par la valeur de la résistance R8 selon la formule suivante :
R8 = 0,45 / Imax
Pour une limitation à 500 mA, il faudrait donc une résistance
R8 = 0,45 / 0,5 = 0,9 ohm - > choisir la valeur normalisée de 0,91 ohm (0.49 A) ou de 0,82 ohm (0,55 A)
Et pour une limitation à 1000 mA, il faudrait une résistance
R8 = 0,45 / 1,0 = 0,45 ohm - > choisir la valeur normalisée de 0,47 ohm (0.95 A) ou de 0,39 ohm (1,15 A)
Remarque concernant la limitation de courant : certains appareils disposent d'une batterie de grande capacité acceptant la charge rapide sous un courant de charge dépassant l'ampère. Si vous adoptez ce schéma, vous constaterez dans ce cas un temps de charge inférieur à celui promis par certains chargeurs "officiels". Disons que c'est une question de choix : soit on adopte une attidude de sécurité face à des appareils fragile qui se contentent de quelques centaines de mA, soit on sait exactement ce qu'on fait et dans ce cas on peut réduire la valeur de R8 en s'appuyant sur la formule précitée. Le L200 est en effet capable de fournir 2 A. Mais n'oubliez pas cette sacro-sainte question de dissipation de puissance, avec 12 V en entrée et 5 V en sortie pour un courant de 2 A, ça fait, et oui ma chère dame, 14 W ! Le régulateur fonctionne avec une telle valeur de dissipation thermique mais seulement s'il est correctement coiffé. Sinon il se met rapidement en protection et là le temps de charge de votre appareil risque d'être singulièrement augmenté...

Schéma 003e - Usage d'une alim 5 V existante

"Je dispose d'une alim PC doté d'une sortie 5 V. Puis-je l'utiliser en tant que chargeur USB ?. Il serait bien dommage de jeter cette bonne vieille alim à découpage pour PC, d'autant plus qu'elle dispose d'une sortie 5 V qui reste activée même quand l'ensemble de l'alim est en mode standby".



Oui, on peut profiter d'une source de tension de 5 V toute prête venant d'une alimentation pour PC, mais attention cependant aux points suivants :

• Pour fonctionner correctement, la plupart des blocs d'alimentation pour PC réclament un courant de sortie minimum (pour certaines il faut un débit minimum de 100 mA, mais je ne les connais évidement pas toutes). Une méthode de vérification simple consiste à mesurer la tension de sortie à vide, qui doit avoisiner la tension nominale à +/-5%. Par exemple sur une sortie 5 V, vous devriez trouver une tension comprise entre 4,75 V et 5,25 V. Dit en passant la mesure de la tension de sortie est indispensable dans tous les cas, il serait en effet bien malheureux de la confondre avec une sortie 12 V.
• Si l'alimentation PC est limitée en courant, ce n'est surement pas à 500 mA ou à 1 A, mais plutôt à plusieurs ampères ou dizaines d'ampères. Ce qui veut dire qu'en cas de mauvais branchement, les dégâts risquent d'être considérables (pas pour l'alim qui elle tiendra sans doute bon). L'insertion d'un fusible de calibre correct dans la ligne d'alimentation de la prise USB est donc absolument impératif (FU1 sur le schéma). Vous pouvez opter pour un fusible classique à fusion (style format 5x20) ou pour un fusible réarmable comme ceux qui équipent... les ports USB des ordinateurs (fusibles réarmables Raychem ou autres).

Bien sûr, l'usage d'un bloc d'alim autre qu'alim pour PC est également envisageable, dans ce cas ayez une préférence pour une alim dont le débit max en courant correspond à vos besoins, et si possible limité à 1 A à 1,5 A.

Schéma 003f - Aller plus loin dans les tests ?

Les fabricants sont emplis de bonnes intentions et sont astucieux. Ce qui fonctionnait avec une ancienne version se bloque avec une nouvelle. Dans le cas de la charge d'accus d'appareils via port USB, ce qui a été dit ci-avant le montre très bien, et rien ne prouve que l'astuce la plus récente fonctionnera longtemps. Toujours est-il que si vous avez compris le principe de "reconnaissance de valeur de tension" utilisé, vous pouvez opérer vous-même des tests avec un nouvel appareil qui se révèlerait plus capricieux encore que ses ancêtres. Plutôt que d'utiliser un pont diviseur avec deux résistances fixes, pourquoi donc ne pas tenter d'utiliser un potentiomètre sur chaque fil Data ?



En procédant comme le montre ce nouveau schéma, on peut appliquer sur chacune des lignes Data une tension ajustable de valeur comprise entre 0 V et +5 V. Plage pas aussi large dans les faits car R2 et R3 forment un pont diviseur avec ce qui se trouve derrière (dans l'équipement à charger), mais suffisante et assez ouverte toutefois pour mener les expérimentations qui vont bien. Les potentiomètres RV1 et RV2 "pompent" à eux deux un courant de 1 mA sur l'alimentation 5 V, ce qu'on va s'empresser de leur pardonner. Les résistances R2 et R3 empêchent d'appliquer aux lignes Data une tension "brute" de 5 V quand le curseur des potentiomètre est au bout de la piste, côté +5 V. Omettre ces deux résistances pourrait ne pas plaire à tout le monde, humains et machines confondus. Si vous ne pouvez obtenir une tension suffisante sur les lignes Data, vous pouvez diminuer la valeur de R2 et R3, sans descendre au-dessous de 22 kO (valeur que je fixe de façon arbitraire, de votre côté faites ce que vous voulez mais restez prudents).

Prototype

Aucun réalisé de mon côté, celui dont les photos suivent correspond au proto réalisé par Jean-François pour le schéma 003c, qui pour rappel est de son cru.



Le tout est monté dans un boîtier en plastique bien plus facile à travailler qu'un boîtier alu.

Circuit imprimé

Non réalisé.

Historique

20/05/2015
- Ajout d'autres valeurs de résistances D+/D- pour compatibilité iPod/iPhone.
18/12/2011
- Ajout schéma 003e, version faisant usage d'une alim 5 V existante (alim PC par exemple).
- Ajout schéma 003f, version avec potentiomètres ajustables.
11/12/2011
- Première mise à disposition.