Zasilacz 12 V 3 A do systemów kontroli dostępu

Ostatnio spora część moich recenzji zaczyna się od słów: jakiś czas temu opublikowałem recenzję...
Tym razem jest dokładnie tak samo: miałem już recenzję zasilacza do systemu kontroli dostępu, tyle że poprzednio był to wariant 12 V, 5 A z funkcją zasilacza awaryjnego, a tym razem mamy uproszczoną wersję.
Więcej szczegółów znajdziecie w samej recenzji.


Na początek kilka słów o tym, do czego służy taki nietypowy zasilacz i dlaczego we wstępie pojawił się skrót SKUD.
Wielu z was pewnie widziało drzwi z zamkami elektronicznymi w klatkach schodowych, biurach, domach prywatnych itp. W najprostszej wersji taki system składa się z zamka (elektromagnetycznego lub elektromechanicznego), kontrolera, czytnika (TM, RFID, daktyloskopowego itp.) i zasilacza.
Razem tworzą system kontroli i zarządzania dostępem (SKUD). Do takiego systemu można też podłączyć wyjście domofonu, aby na jego sygnał odblokować zamek.

Kilka słów o zamkach i o tym, dlaczego niektóre zasilacze mają funkcję zasilacza awaryjnego, a inne nie.
Jeśli używacie zamka elektromagnetycznego, to aby po zaniku zasilania nadal trzymał drzwi, potrzebne jest zasilanie awaryjne. Taki zamek można zobaczyć na drzwiach wejściowych do klatki schodowej. Zwykle znajduje się na samej górze drzwi albo w okolicy klamki i często jest ukryty.
Zamek elektromechaniczny nie wymaga stałego zasilania, bo w gruncie rzeczy jest zwykłą zapadką. Często można spotkać się z opinią, że elektromagnes porusza językiem zapadki (takie rozwiązania też istnieją), ale zazwyczaj wygląda to nieco inaczej. Wewnątrz zamka znajduje się mechanizm, który napina się przy zamykaniu drzwi i pozostaje napięty aż do uruchomienia mechanizmu otwierającego. Zwykle można go odblokować na trzy sposoby: przekręcając klucz, naciskając mechaniczny przycisk zamka albo za pomocą elektromagnesu sterowanego z zewnątrz. W zasadzie jest jeszcze czwarty sposób: mocne, gwałtowne uderzenie w okolicy zamka, ale nie zawsze działa.
Mechanizm odblokowujący przesuwa mały element wewnątrz zamka, a potem mocna sprężyna odciąga główną zapadkę. Aby przywrócić wszystko do stanu początkowego, trzeba uchylić drzwi i ponownie je zamknąć.

Po co właściwie o tym wszystkim piszę? Poprzednio pokazywałem zasilacz z możliwością podłączenia akumulatora, a dziś mamy uproszczoną wersję, którą planowałem w prosty sposób przerobić do pracy z akumulatorem, ale nic z tego nie wyszło.

Tak jak poprzednio, zestaw jest dostarczany w woreczku, w którym znajduje się jeszcze jeden woreczek z pilotami radiowymi oraz kartonowe pudełko z zasilaczem.


Tak jak poprzednio, dostępne są trzy warianty zestawu: z jednym, dwoma lub czterema pilotami. Zamówiłem najbogatszy wariant.
1. Zasilacz
2. Cztery piloty radiowe
3. Odbiornik radiowy
4. Instrukcja.


Instrukcja jest w dwóch językach: chińskim i angielskim. Zawiera schemat podłączenia, ale tak jak poprzednio jest on błędny. Nieprawidłowo pokazano podłączenie zamka. Na schemacie zamek jest podłączony do styków przekaźnika, a powinien być podłączony szeregowo ze stykami; potrzebna jest też zworka. Jeśli będzie taka potrzeba, narysuję poprawny schemat.


Czasami zdarzają się sytuacje, w których trzeba sterować zamkiem z miejsca innego niż stałe stanowisko. W takim przypadku używa się pilotów radiowych. Od razu uprzedzam: takie rozwiązanie znacznie obniża ogólne bezpieczeństwo systemu i ułatwia włamanie do zamkniętego pomieszczenia, dlatego stosuje się je tylko tam, gdzie nie ma to większego znaczenia.
Myślę, że wielu z was zna ten design pilotów. Swoją drogą, dokładnie takie same piloty były w zestawie z poprzednim zasilaczem.


Zasilanie z jednej baterii 12 V.


Nadajnik i odbiornik. Widać miejsca na zworki, za pomocą których ustawia się kod pilota. Kod nadajnika i odbiornika musi być taki sam.


Przechodzę wreszcie do głównej części recenzji, czyli zasilacza.
Tym razem obudowa jest w całości metalowa, ale zasilacza można używać tylko wewnątrz pomieszczeń, ponieważ nie jest zabezpieczony przed wilgocią.


Na górze podano podstawowe parametry: napięcie wejściowe 100–260 V, napięcie wyjściowe 12 V, prąd do 3 A. Opisano też przeznaczenie styków złącza.
Na górze znajduje się również dioda LED sygnalizująca włączenie.


Do podłączenia do sieci producent po prostu wyprowadził parę przewodów przez otwór w obudowie. Dobrze, że wpadł na pomysł zabezpieczenia otworu gumową przelotką.
Z drugiej strony znajduje się złącze do podłączania urządzeń zewnętrznych. Poprzednio był tam blok zacisków, co było mniej wygodne. Dosłownie kilka dni temu miałem przyjemność przepinać płytkę sterującą bramką obrotową, do której podłączono mnóstwo nieopisanych przewodów. Przypomniałem sobie wtedy o podobnych złączach.


Zdejmujemy pokrywę obudowy, przykręconą kilkoma niewielkimi wkrętami. Miałem nadzieję, że przewód zasilający jest podłączony wewnątrz za pomocą złącza, ale niestety — został przylutowany do płytki.


Urządzenie ma bardzo zwartą konstrukcję, a sama płytka drukowana jest upakowana po brzegi. Podczas dalszych eksperymentów dało mi się to we znaki: żeby wymienić jeden element, trzeba było wylutować jeszcze jakiś inny.


Po stronie zasilania znajduje się prowizoryczny radiator w postaci kawałka aluminiowej blachy, który przylega do obudowy. Brakuje pasty termoprzewodzącej.
Po drugiej stronie widać złącze do podłączenia odbiornika zdalnego sterowania oraz potencjometr montażowy, którym ustawia się czas podtrzymania przekaźnika.
Timer jest potrzebny do współpracy z zamkami elektromagnetycznymi. Ustala czas, przez który zamek nie będzie zasilany. Z elektromechanicznymi jest znacznie prościej — do otwarcia wystarczy im krótki impuls.


Do dalszych oględzin wyjąłem płytkę z obudowy. Pod nią znajduje się folia ochronna. Moim zdaniem w tej konstrukcji zdecydowanie brakuje zacisku uziemiającego. Dziwne, że producent o to nie zadbał — w poprzednim zasilaczu taki zacisk był.


Na wejściu znajduje się pełnoprawny filtr sieciowy. Kiedyś nagrałem serię filmów o poszczególnych sekcjach zasilaczy. Tutaj na pierwszy rzut oka nie ma większych problemów: kondensator wejściowy ma pojemność 33 µF, a zasilacz moc 36 W. Przy takiej mocy i naszym napięciu sieciowym pojemność kondensatora jest na styk; dla deklarowanych 100 V będzie za mała.
Co ciekawe, poprzedni zasilacz miał taką samą pojemność na wejściu, a był przeznaczony do pracy z mocą 60 W.
Na zdjęciu widać dwa niebieskie kondensatory. Lewy łączy obudowę zasilacza z ujemnym wyprowadzeniem kondensatora wejściowego, a prawy służy do tłumienia zakłóceń między uzwojeniami. Pierwszy jest właściwego typu — Y2, natomiast drugi to zwykły kondensator wysokonapięciowy. Taki układ jest dopuszczalny tylko wtedy, gdy obudowa jest uziemiona, a nie ma gdzie jej uziemić :(


Sterownik PWM i wyjściowy zespół prostowniczy są identyczne jak w zasilaczu 60 W. Zastosowano tu KA5L0380R, przystosowany do mocy 75 W, oraz YG902C2, na prąd do 10 A — z dużym zapasem w stosunku do deklarowanych 36 W i 3 A.
Lutowanie elementów mocy jest dość nietypowe. Najprawdopodobniej najpierw montuje się płytkę w obudowie, potem przykręca elementy do radiatora, a na końcu je lutuje.


Część wyjściowa zasilacza zawiera również dławik, który zmniejsza poziom tętnień na wyjściu. Sprawdzę to później.
Z zewnątrz wszystko wygląda schludnie. Swoją drogą, płytka nie zawiera elementów SMD — wszystko wykonano „po staremu”, choć moim zdaniem najważniejszy jest efekt.


1. Tym razem zaoszczędzono na kondensatorach. Poprzednio były markowe, tutaj mamy zwykłe, bezimienne. Co więcej, kondensatory wyjściowe są przystosowane do napięcia 16 V, co w tego typu urządzeniach uważam za niedopuszczalne, bo powinny pracować przez całą dobę.
2. Układ sterowania zasilaniem zamka jest praktycznie taki sam jak w poprzednim zasilaczu — ten sam NE555. Później pokażę to zresztą na schemacie.


Płytka jest dwustronna, ale po drugiej stronie znajdują się tylko ścieżki. Są też szczeliny izolacyjne i ślady lakieru ochronnego, więc tutaj również nie mam zastrzeżeń.


Już podczas oględzin było jasne, że schemat będzie podobny do schematu poprzedniego zasilacza. Dalsza analiza tylko potwierdziła to przypuszczenie. Schemat tego zasilacza pokrywa się w około 95% ze schematem zasilacza 12 V 5 A.


Ponieważ urządzenie nie obsługuje funkcji zasilania awaryjnego, można podzielić je na dwa bloki funkcjonalne.
1. Czerwony — zasilacz 12 V 3 A
2. Niebieski — układ sterowania przekaźnikiem i timer opóźnienia jego zwolnienia.

Są też pewne różnice kosmetyczne. Na przykład poprzednia wersja miała dwa wejścia do podłączenia przycisku, a tutaj zostawiono tylko jedno. Różnice występują również w części pierwotnej — na przykład ujemne wyprowadzenie kondensatora wejściowego jest połączone z obudową (to nawiązanie do uwagi o braku zacisku uziemiającego).


W odróżnieniu od poprzedniej wersji moduł odbiornika jest zamontowany staranniej, choć cewka indukcyjna nadal leży na obudowie przekaźnika. Jest jednak i wada: zapomniano zrobić otwór, przez który można by wyprowadzić antenę. W poprzedniej obudowie część była plastikowa i nie miało to znaczenia, tutaj jednak mamy metal, więc antenę trzeba wyprowadzić na zewnątrz. Da się to zrobić w miarę porządnie tylko przez otwór na potencjometr montażowy.


Przejdźmy płynnie do testów.
Pierwsze uruchomienie przebiegło bez żadnych niespodzianek: zaświeciła się dioda LED, a na wyjściu uzyskałem deklarowane 12 V.


Za pomocą potencjometru montażowego można ustawić napięcie wyjściowe w zakresie od 11,7 do 13,7 V.
Regulacja jest bardzo płynna, bez większych problemów udało mi się ustawić dokładnie 12,000 V. W rzeczywistości nie jest to oczywiście potrzebne i nawet gdyby na wyjściu było 12,5 V, nic złego by się nie stało. Tym bardziej że w miarę nagrzewania napięcie rośnie, a zastosowano zwykłe, nie precyzyjne rezystory.


Sprawdzenie stabilności napięcia pod obciążeniem również nie wykazało problemów, choć występuje niewielki spadek.


Tętnienia na wyjściu są wręcz świetne. Przy maksymalnym prądzie przedostało się trochę zakłóceń sieciowych 50 Hz, ale to nic krytycznego.
Sonda była ustawiona na 1:1, rozdzielczość wynosiła 50 mV na działkę. Nawet w najgorszym przypadku wyszło zaledwie około 10 mV — mało, bardzo mało.


Sprawdźmy teraz sprawność zasilacza, bo w przypadku urządzenia podłączonego na stałe to również istotna kwestia.
Otrzymałem następujące wyniki:
1. Bieg jałowy — 2,2–2,4 W. W zasadzie jest to pobór mocy samego zasilacza.
2. Prąd 1 A, moc 12 W — 69%
3. Prąd 2 A, moc 24 W — 77%
4. Prąd 2,5 A, moc 30 W — 75%
5. Prąd 3 A, moc 35,5 W — 73%

Najwyższą sprawność uzyskałem przy mocy około 24 W. Przy prądzie obciążenia 3 A napięcie wyjściowe spadło, więc moc wyniosła 35,5 W, a nie 36 W.


Dalej przeprowadziłem standardowe testy przy prądach 1, 2 i 3 A, z 20-minutowymi przerwami. Po każdym z nich wykonywałem termogramy, żeby kontrolować temperaturę.
1. Bieg jałowy — widać mocne nagrzewanie po prawej stronie. Znajduje się tam rezystor obciążający o rezystancji 330 Ω (tak jak w poprzednim zasilaczu), na którym wydziela się około 0,5 W. Nawet bez obciążenia zasilacza rezystor osiąga temperaturę 90 stopni. Myślę, że producent próbował w ten sposób walczyć z piszczeniem, bo w tym trybie nadal ono występuje.
2. Prąd 1 A — transformator ma temperaturę 55 stopni, a rezystor nagrzał się prawie do 100. Wpływa na to dodatkowe nagrzewanie od zewnątrz.
3. Prąd 1 A, ale inne ujęcie. Teraz widać termistor na wejściu, a wskaźnik temperatury maksymalnej przesunął się w jego stronę: ponad 100 stopni. To niemało, zwłaszcza że kondensator wejściowy znajduje się blisko.
4. Prąd 2 A — transformator nagrzał się do 75 stopni, a termistor do 110. Po wszystkich testach odgiąłem go dalej od kondensatora wejściowego. Taka grzałka tuż obok jest mu zupełnie niepotrzebna.


Po nagrzaniu sprawność przy prądzie 2,5 A wyraźnie spadła i wyniosła już tylko 67% zamiast 77% w stanie zimnym. Jak się jednak okazało, był to dopiero „pierwszy sygnał ostrzegawczy”.
Przy prądach 1 i 2 A sprawność pozostawała bez zmian.


Myślę, że wielu moich czytelników zna moją metodę testowania zasilaczy: stopniowo zwiększam prąd i przez określony czas testuję zasilacz przy danym obciążeniu. Dzięki temu zwykle ustalam maksymalną moc, jaką zasilacz może oddać bez przegrzewania.
Wyżej pokazałem temperatury przy prądach 1 i 2 A, więc kolejnym krokiem było 3 A, co wydaje się całkiem logiczne.
Jednak po zwiększeniu prądu do 3 A obciążenie wyłączyło się z powodu zadziałania zabezpieczenia przed spadkiem napięcia wyjściowego. Było to spore zaskoczenie, bo zasilacz zwykle bez problemu dostarcza deklarowany prąd, a czasem doprowadzałem moc wyjściową nawet do 150%.


No dobrze, nie ma sprawy — spróbujmy ustalić próg wyłączenia. Zasilacz był akurat „rozgrzany”, więc lepiej nadawał się do tego eksperymentu.
Zwiększamy prąd obciążenia od zera do 3,5 A, skokami co 100 mA. Przy prądzie 2,8 A napięcie wyjściowe zaczęło spadać. Widać to zarówno na wykresie, jak i w tabeli po prawej, gdzie pokazano wyniki ostatnich kroków.


Ustaliłem, że maksymalny prąd, przy którym napięcie wyjściowe nie spada, wynosi 2,7 A. Ustawiłem więc 2,5 A i postanowiłem kontynuować test. Pojawił się jednak zupełnie nieprzewidywalny problem. Na początek powiem, że musiałem przerwać test po pół minuty.


Przerwałem, bo miałem wrażenie, że coś się przegrzewa. Elektronicy pewnie zrozumieją.
Tak właśnie było — temperatura jednego z elementów osiągnęła 132 stopnie. Poniżej kilka termogramów z moich „eksperymentów”.
Na podstawie położenia przegrzanego miejsca (termogram jest przesunięty względem zdjęcia) ustaliłem, że chodzi o diodę snubbera. Chodzi o to, że poza tą diodą nie ma tam po prostu niczego, co mogłoby się nagrzewać.
Snubber jest potrzebny do tłumienia pasożytniczych przepięć w uzwojeniu pierwotnym, ale zwykle nagrzewa się sama część pochłaniająca energię — obwód RC albo transil, a nie dioda. W tym przypadku nagrzewała się właśnie dioda.


Spróbowałem schłodzić zasilacz, a potem powtórzyć test, ale niewiele się zmieniło. Przy prądzie 3 A wskazana dioda szybko zaczynała się przegrzewać, a w rozgrzanym zasilaczu to samo działo się już przy 2,5 A.


Pośrednie wyjaśnienie znalazłem, gdy podczas testów spojrzałem na wskaźnik miernika mocy. Zasilacz po teście sprawności nadal był do niego podłączony, co zresztą przyspieszyło znalezienie problemu.
Dwa testy, oba przy prądzie 2,5 A, ale pierwszy przed rozpoczęciem nagrzewania, drugi po. Zegar na multimetrze po lewej stronie pokazuje nieprawidłową godzinę, ale pozwala zorientować się, że wszystko dzieje się w ciągu jednej minuty.
Po włączeniu pobór mocy z sieci wynosi 40,4 W, ale po 20–30 sekundach wzrasta już do 50 W. Czyli zasilacz zaczyna pobierać około 10 W „na siebie”. I tu przypomnijmy sobie o spadku sprawności po rozgrzaniu — myślę, że jedno wiąże się z drugim.


Problem jest ewidentny, więc postanowiłem spróbować ustalić, o co może chodzić. Na początek cofnijmy się o kilka miesięcy, do czasu, gdy recenzowałem zasilacz 12 V 5 A. Wtedy wszystko działało bez zarzutu i zasilacz bez problemu radził sobie z deklarowanym obciążeniem. Poniżej jego schemat.


A teraz otwórzmy schemat omawianego zasilacza. Usunąłem elementy niezwiązane z zasilaczem i zaznaczyłem kolorem kilka podzespołów:
1. Niebieski — różni się od poprzedniego, ale nie wpływa na problem.
2. Pomarańczowy — zmieniono sposób podłączenia, ale nie wpływa to na problem.
3. Czerwony — różni się i może już mieć wpływ na to, co widzieliśmy wyżej.

Widać, że kluczowe różnice dotyczą elementów snubbera w obwodzie pierwotnym oraz obwodu RC diody wyjściowej. Moc wydzielana w pierwszym z tych węzłów zależy od wartości elementów drugiego. Na przykład zwiększenie pojemności kondensatora podłączonego równolegle do diody wyjściowej nieco zmniejszy obciążenie snubbera. Pojawi się jednak inny problem: przy znacznym zwiększeniu pojemności trudniej będzie miał tranzystor wyjściowy przetwornicy. Jeśli przesadzimy, może się to skończyć jego uszkodzeniem — mnie w ten sposób spalił się kontroler PWM z serii TOP2xx.
Ale trochę odbiegliśmy od tematu. Producent zmniejszył rezystancję rezystora w snubberze i zwiększył pojemność kondensatora w obwodzie RC równoległym do diody wyjściowej. Czyli świadomie próbował ograniczyć przegrzewanie snubbera.


Postanowiłem się nie poddawać i przeprowadzić mały eksperyment. Najpierw wylutowałem diodę snubbera, bo podejrzewałem, że zamiast „szybkiej” zamontowano zwykłą 1N4007, ale okazało się, że jest tam całkiem przyzwoita FR107. Na wszelki wypadek wymieniłem ją na bardziej znaną mi 1N4937. Podczas testów usłyszałem podejrzany trzask i najpierw pomyślałem, że dioda pękła od przegrzania.
Następnie zmniejszyłem pojemność kondensatora obwodu RC diody wyjściowej do 2,2 nF, tak jak w poprzednim zasilaczu.
Uruchomiłem test i wyniki okazały się dokładnie takie same jak przed eksperymentem. Kiedy jednak zasilacz zaczął wariować i jak zwykle zmniejszyłem prąd obciążenia z 3 A do 2 A, napięcie wyjściowe spadło jeszcze bardziej, a moc pobierana na wejściu nie zmalała.
Moim zdaniem w projekcie popełniono błąd, najprawdopodobniej w obliczeniach transformatora. Podobne zachowanie występuje, gdy próbuje się „podkręcić” zasilacz przez podniesienie napięcia wyjściowego. Alternatywnym wyjaśnieniem może być nieprawidłowe nawinięcie i słabsze sprzężenie między uzwojeniami, ale to mniej prawdopodobne.
Już podczas pisania recenzji pomyślałem, że można by wymienić transformator, ale potem uznałem, że nie ma to większego sensu. Czym innym jest wymiana jakiegoś rezystora, a czym innym transformatora. Poza tym nie bardzo mam ochotę wykonywać pracę za projektantów, którzy dostają za to pensję.

Najprawdopodobniej zaprojektowano zasilacz, popełniono błąd przy projektowaniu transformatora, a partia była już zamówiona. W końcu jakoś sobie z tym poradzono, ale nie do końca — i tak zmarnowano całkiem niezły zasilacz.


Na tym można zakończyć recenzję, ale zanim przejdę do podsumowania, powiem, że początkowo miała ona wyglądać zupełnie inaczej. Planowałem dodać do tego zasilacza funkcję zasilacza awaryjnego, podobnie jak zrobiłem to w tej recenzji. Chodzi o to, że opisana modyfikacja wymaga podniesienia napięcia ze standardowych 12 V do około 14,4. Typowy zasilacz zwykle znosi to bez problemu. Moc wyjściowa nieco spadnie, ale poza tym wszystko działa normalnie.
W tym przypadku zasilacz już sam z siebie pracuje pod dużym obciążeniem, a podniesienie napięcia wyjściowego o 20% tylko pogorszyłoby sytuację.
Można ewentualnie nieco dowinąć uzwojenie wtórne. Przy okazji można to zrobić jako modyfikację naprawiającą problemy, ale taka przeróbka wykracza poza zakres zmian, jaki przyjąłem na potrzeby recenzji.

Mogę powiedzieć, że planuję wymyślić coś zarówno w przypadku pierwszego zasilacza, jak i być może tego pokazanego wyżej, ale rozwiązanie będzie już zupełnie inne.


Teraz można już podsumować.
Pod względem jakości wykonania powiedziałbym, że jest raczej dobrze niż źle. Wszystko wykonano dość starannie, choć kondensatory w filtrze wejściowym i wyjściowym są bez oznaczeń producenta. Niewygodny jest sposób montażu modułu radiowego, brakuje też otworu na antenę. Jeśli wyprowadzić przewód przez otwór na potencjometr montażowy, działa świetnie — sprawdziłem w całym mieszkaniu.

Parametry elektryczne są niejednoznaczne. Tętnienia, regulacja, nagrzewanie i sprawność są na normalnym poziomie jak na tego typu zasilacz, ale tylko przy prądzie obciążenia do 2 A. Przy większym prądzie, zwłaszcza od 2,5 A, zaczyna się prawdziwa jazda i nie można go już używać przy takim obciążeniu, przynajmniej przez dłuższy czas.

Formalnie jest to więc całkiem niezły zasilacz o parametrach 12 V, 2 A, który można wykorzystać do zasilania kontrolera dostępu i zamka. Na przykład zamek elektromagnetyczny o sile trzymania do 280 kg pobiera zaledwie 400 mA, więc nawet po uwzględnieniu poboru prądu przez kontroler zostaje spory zapas — można spokojnie zasilać jeszcze kilka kamer monitoringu. Przy zamku elektromechanicznym jest jeszcze łatwiej: pobór prądu jest duży, ale impulsowy.

W takim zastosowaniu są tylko dwa elementy budzące zastrzeżenia: kondensatory wyjściowe na 16 V zamiast 25 V, co może skrócić ich żywotność. Jeśli je wymieniać, wystarczy wymienić tylko ten, który znajduje się przed dławikiem filtra. Biorąc jednak pod uwagę, że pojemność kondensatorów ma niewielki zapas, być może oryginalne też będą działać długo. Ponadto, jeśli zasilacz nie jest uziemiony, trzeba wymienić jeden z małych kondensatorów wysokonapięciowych na kondensator typu Y.

To już wszystko. Mam nadzieję, że te informacje były przydatne. Jak zawsze, chętnie odpowiem na pytania i poczytam komentarze.