Kompaktowy zasilacz z korektorem współczynnika mocy i deklarowaną mocą 400 W

W moje ręce trafił kolejny zasilacz. Nie kupiłem go ja, tylko mój kolega, ale w tym przypadku nie ma to znaczenia. Przede wszystkim zainteresował mnie ten zasilacz, bo ma deklarowaną moc 400 W, jest dość kompaktowy, a do tego ma korektor współczynnika mocy.


Początkowo zasilacz miał zasilać płytkę przetwornicy typu DPS5012, ale co z tego wyjdzie, jeszcze nie wiadomo, bo testy nie dały oczekiwanego wyniku.
Zacznijmy jednak od początku. Postaram się w recenzji pokazać zarówno zalety, jak i wady. Być może taki zasilacz znajdzie swoich odbiorców.

Zasilacz ma otwartą konstrukcję, czyli jest przeznaczony do montażu wewnątrz obudowy, a nie do samodzielnego użytkowania. Jego wymiary to około 128х82х43mm, co przy deklarowanej mocy jest bardzo kompaktowe.


Z boku obudowy znajduje się naklejka, z której można się dowiedzieć, że zasilacz ma:
Napięcie wejściowe 100-240 V
Napięcie wyjściowe 48 V
Prąd wyjściowy do 8,3 A
Współczynnik mocy powyżej 0,95

Zasilacz zamontowano na aluminiowym chassis, które pełni funkcję radiatora. Dla ochrony przed uszkodzeniami naklejono folię, którą należy zdjąć przed zamontowaniem zasilacza w urządzeniu.


Na stronie sklepu jest też rozszerzony opis. Ponieważ jest po chińsku, proponuję swobodne tłumaczenie z Google, które w zupełności wystarczy do zrozumienia parametrów.
Oprócz mocy i napięcia interesował mnie również deklarowany poziom tętnień, wynoszący 150 mV. To bardzo mało jak na zasilacz 48 V, 400 W.


Montaż w zasilaczu jest dość ciasny, choć nie powiedziałbym, że przesadnie. Na przykład w zasilaczach MeanWell, które opisywałem wcześniej, bywa znacznie ciaśniej.


Na wejściu zamontowano całkiem porządny filtr, czym byłem nawet zaskoczony. Są tu dwa dławiki z dwoma uzwojeniami, dwa kondensatory klasy X i trzy klasy Y. Brakuje tylko warystora. Na płytce jest dla niego miejsce, ale „zapomniano” go wlutować. Po zamontowaniu warystora można powiedzieć, że filtr jest „zgodny z podręcznikiem”.
Dławiki z dwoma uzwojeniami mają przy tym plastikowe karkasy, co również jest prawidłowym rozwiązaniem.


1. Na wejściu znajduje się również termistor ograniczający prąd ładowania kondensatora oraz bezpiecznik. Bezpiecznik jest tylko jeden i zamontowano go w przewodzie fazowym (oznaczenie znajduje się na listwie zaciskowej), ale sam bezpiecznik jest mały, co nie jest zbyt dobre.
2. Trzy kondensatory przeciwzakłóceniowe klasy Y są połączone z obudową zasilacza.
3. Mostek prostowniczy jest dociśnięty do obudowy przez podkładkę izolacyjną, choć sam ma izolowaną obudowę. Myślę, że w tym przypadku podkładka po prostu zastępuje pastę termoprzewodzącą.
4. Pojemność kondensatora wejściowego wynosi zaledwie 100 µF. W zasilaczach z aktywnym korektorem współczynnika mocy wymagania dotyczące pojemności kondensatora wejściowego są mniej rygorystyczne niż w zwykłych zasilaczach, ale 100 µF przy mocy 400 W to i tak za mało — mniej więcej 2–2,5 raza mniej, niż potrzeba. Po prawej stronie kondensatora widać dławik aktywnego korektora współczynnika mocy.


Wszystkie elementy mocy są dociśnięte do aluminiowego chassis przez izolatory.


W tym zasilaczu transformator nie ma szczeliny, typowej dla zwykłych przetwornic flyback. Oczywiście zwiększa to jego moc, ale i tak wygląda dość skromnie jak na moc wyjściową 400 W, zwłaszcza przy deklarowanej możliwości pracy z chłodzeniem pasywnym.


1. Między płytką sterownika PWM a transformatorem zamontowano jeszcze dwa niewielkie kondensatory elektrolityczne. W tym miejscu temperatura prawdopodobnie będzie dość wysoka, więc ich żywotność może być krótsza.
2. W obwodzie sprzężenia zwrotnego znajduje się jeden transoptor, a jako kondensator przeciwzakłóceniowy zastosowano właściwy kondensator klasy Y.
3. Wyjście zasilacza również jest połączone z obudową, tym razem przez zwykły kondensator wysokonapięciowy. Biorąc pod uwagę, że w obwodzie pierwotnym znajdują się kondensatory klasy Y, takie rozwiązanie jest całkowicie dopuszczalne i bezpieczne.
4. Na wyjściu znajduje się duży dławik magazynujący energię oraz trzy kondensatory 470 µF 63 V. Łączna pojemność filtra wynosi zaledwie około 1500 µF przy prądzie wyjściowym przekraczającym 8 A, co jest niewielką wartością. Ponadto na wyjściu brakuje dławika, który zmniejszyłby poziom tętnień.


Patrząc na część wyjściową płytki, można odnieść wrażenie, że jest uniwersalna i przeznaczona do różnych konfiguracji napięcia i prądu, a w tym przypadku została częściowo uproszczona. Po lewej stronie widać potencjometr montażowy do regulacji napięcia wyjściowego.


Konstrukcję rozbiera się bardzo łatwo: trzy śruby dociskają elementy elektroniczne, a kolejne cztery mocują płytkę. Tutaj chyba postawiłbym plusik: mimo dość zwartej konstrukcji urządzenie można bez problemu naprawić.


Na niektóre wyprowadzenia elementów założono rurki izolacyjne z PTFE. Drobiazg, ale bardzo przydatny.


Wejściowy mostek prostowniczy KBL406, tranzystor korektora — 20N50, dioda wyjściowa korektora — SFF10006A.
Tranzystor przetwornicy — FHA9N90, wyjściowy zespół diod MUR3060PT. Przy pobieżnej analizie widać, że wszystkie elementy mają zapas parametrów prądowych i napięciowych.

Znalazłem jednak również ślady niewielkich, ale wyraźnych oszczędności. Podkładki izolacyjne wykonano, przecinając na pół standardowy izolator.


Takie izolatory zwykle obejmują cały element mocy, jak na przykład ten zamontowany po lewej stronie tej płytki. Myślę, że teraz już wiadomo, „jak to zrobiono”.


Całym zasilaczem steruje kontroler PWM CM6800G, zamontowany na niewielkiej płytce.


CM6800 to zintegrowany kontroler PWM, który oprócz podstawowej funkcji potrafi sterować także korektorem współczynnika mocy. Produkuje go nieznana mi firma Champion.


Nie przerysowywałem schematu zasilacza, ale bardzo przypomina schemat z noty katalogowej kontrolera, więc w razie naprawy można z niego skorzystać.


Montaż dwustronny, jakość bardzo dobra.


Część wysokonapięciowa: wejściowe kondensatory przeciwzakłóceniowe mają obwód rozładowujący, a część ścieżek wzmocniono lutowiem.


Część wyjściowa również jest dość starannie wykonana, ale „glut” z lutowia między ujemnymi stykami wyjścia jest nieco nietypowy. Wygląda na to, że istnieje wersja zasilacza, w której te punkty są rozdzielone.


Początkowo chciałem opisać działanie korektora za pomocą ilustracji, ale potem przypomniałem sobie o filmie. Myślę, że tak będzie łatwiej zrozumieć.
W skrócie wyjaśnię:
Zwykły zasilacz pobiera energię z sieci tylko wtedy, gdy napięcie (wartość szczytowa) jest wyższe niż napięcie na wejściowym kondensatorze magazynującym. W efekcie podczas doładowywania kondensatora występują duże impulsy prądu.
Zasilacz z korektorem ma na wejściu w zasadzie przetwornicę podwyższającą, ale bez kondensatora magazynującego (ten znajduje się za korektorem). Może pobierać prąd z sieci w szerokim zakresie zmian napięcia, dzięki czemu jego charakterystyka obciążenia zbliża się do charakterystyki obciążenia rezystancyjnego.
Za korektorem znajduje się ten sam zwykły zasilacz, zasilany jednak stabilizowanym napięciem. Można więc zmniejszyć zapas potrzebny do regulacji, a tym samym zwiększyć sprawność. Sprawność całego układu spada jednak dlatego, że sam korektor również ma sprawność poniżej 100%, więc ostatecznie „wychodzi na to samo”.


Zasilacz zbudowano w układzie jednotranzystorowej przetwornicy forward, podczas gdy bardziej rozpowszechnione zasilacze małej mocy wykorzystują jednotranzystorową przetwornicę flyback.
Na schemacie blokowym kolorami zaznaczono elementy przetwornicy forward (po prawej), których nie ma w układzie flyback (po lewej). W układzie forward dodano diodę i dławik, a jedno z uzwojeń transformatora podłączono z odwrotną polaryzacją (to ważne).
Jest jeszcze jedna różnica: w układzie forward nie wykonuje się szczeliny w rdzeniu transformatora, która jest niezbędna w układzie flyback.


Ta topologia jest bardzo podobna do klasycznej przetwornicy obniżającej (step-down).
W obu układach klucz wejściowy „pompuje” energię do dławika wyjściowego, a podczas przerwy energia trafia przez diodę do obciążenia. W zasilaczu forward rolę klucza pełnią jednak zarówno sam tranzystor, jak i transformator oraz jedna z diod wyjściowych.
Poniżej pokazano podobne węzły, oznaczone tymi samymi kolorami dla lepszej czytelności. Myślę, że teraz wiadomo, dlaczego wyżej napisałem, że w tym zasilaczu nie ma wyjściowego dławika filtrującego: zamontowany dławik pełni funkcję magazynującą. Pod żadnym pozorem nie wolno go zwierać!




Nie ma już właściwie czego oglądać, przejdźmy więc do testów.
Początkowo zasilacz był ustawiony na 48,3 V, choć nie ma to większego znaczenia. Zakres regulacji wynosi 41,8–54 V, czyli jest dość szeroki. Jeśli jednak trzeba precyzyjnie ustawić napięcie wyjściowe, mogą pojawić się problemy z powodu zgrubnej regulacji.


Pierwszy test obejmuje ocenę dokładności utrzymywania napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia, sprawności i współczynnika mocy. Do testu użyłem dwóch multimetrów, watomierza i obciążenia elektronicznego. W teście przy napięciu 110 V zastosowano autotransformator.
Podczas testu okazało się, że przy prądzie obciążenia około 4-5 A i większym napięcie wyjściowe zaczyna spadać. Co więcej, nie spada od razu i nie zatrzymuje się na niższym poziomie — proces ten trwa zauważalnie długo. Podobny efekt występuje przy gwałtownym nagrzewaniu rezystorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego, jeśli zastosowano zwykłe rezystory o dużym TWR. Kiedy jednak odłączyłem obciążenie od rozgrzanego zasilacza, zobaczyłem, że napięcie natychmiast wróciło do wartości początkowej. W tym przypadku przyczyną jest więc najpewniej zwykłe przeciążenie zasilacza.
Poniżej dwa zdjęcia: przed testem, gdy zasilacz jest zimny, oraz zaraz po odłączeniu obciążenia od rozgrzanego zasilacza. Widać, że nagrzewanie praktycznie nie wpływa na napięcie.


Tabela z wynikami testu. Przy niskim napięciu błąd pomiaru sprawności jest wyraźnie większy, dlatego wyniki należy traktować raczej orientacyjnie. Nie przeprowadziłem jedynie ostatniego testu przy niskim napięciu i maksymalnym prądzie, ponieważ zasilacz pracował wtedy z wyraźnym przeciążeniem.


W praktyce sprawdziłem zasilacz przy prądzie niemal maksymalnym. Obciążenie pobierało prawie 400 W, ale zasilacz pracował w tym trybie kiepsko: mocno się nagrzewał, a napięcie wyjściowe spadało. Spadek nie był duży, ale zauważalny.
Przy okazji odnotuję ciekawą obserwację: po podłączeniu przez transformator to właśnie transformator zaczynał brzęczeć, gdy prąd obciążenia zasilacza mieścił się w zakresie 2.5-3.5 A, z maksimum przy około 3 A.


Pomiar poziomu tętnień na wyjściu zasilacza to dość ważny test, ponieważ parametr ten ma duży wpływ zarówno na prawidłową pracę obciążenia, jak i na trwałość stopnia wyjściowego urządzenia.
Do pomiaru tego parametru przed sondą mam zamontowany zalecany filtr, składający się z dwóch kondensatorów: elektrolitycznego 1 µF 63 V i ceramicznego 0.1 µF.


Tętnienia mierzy się przy częstotliwości pracy przetwornicy (WCz) oraz przy podwojonej częstotliwości sieci (NCz).


Zbiorcze zestawienie pracy zasilacza
1. Napięcie wejściowe 230 V, wysoka częstotliwość, 100% obciążenia
2. To samo, ale niska częstotliwość
3. Napięcie wejściowe 105 V, niska częstotliwość, 75% obciążenia
4. To samo, ale niska częstotliwość.

Może to zabrzmi dziwnie, ale zasilacz zmieścił się w deklarowanych 150 mV tętnień. Jedyny problem polegał na tym, że w pierwszym teście nałożyły się duże tętnienia o niskiej częstotliwości, które zniknęły w trakcie eksperymentów.


Nie mniej ważny jest test temperatur. W opisie podano, że zasilacz jest przystosowany do chłodzenia pasywnego, ale już na początkowym etapie testów miałem wątpliwości, czy poradzi sobie w takim trybie przy maksymalnej mocy, bo nawet po krótkim teście mocno się nagrzewał. Założyłem, że maksymalny prąd ciągły wyniesie około 6 A, ale jak się okazało, bardzo się pomyliłem: maksymalny prąd, jaki udało mi się uzyskać przez dłuższy czas w miarę bezpiecznie, to zaledwie 4,2 A, czyli około 200 W.
Straty mocy w zasilaczu w takim trybie wynosiły około 35 W, a odprowadzenie takiej ilości ciepła przy tak kompaktowych wymiarach jest możliwe tylko przy aktywnym chłodzeniu.


Ostatecznie test przeprowadzono „w skróconej wersji”: najpierw przy prądzie 2,1 A, czyli 25% obciążenia, a następnie przy 4,2 A, czyli 50% obciążenia. Ponieważ jednak już przy 50% zasilacz wyraźnie mocno się nagrzewał, kolejny test wykonano przy prądzie zaledwie 4,5 A, co odpowiada nawet mniej niż 55% obciążenia.
Każdy test trwał standardowe 20 minut, łączny czas testu wyniósł 1 godzinę.
Ponieważ punktów pomiarowych było dużo, wymienię je zgodnie z tabelą:
Wejściowy mostek prostowniczy
Tranzystor korektora współczynnika mocy
Dioda korektora współczynnika mocy
Dławik korektora współczynnika mocy
Kondensator wejściowy przetwornicy
Tranzystor przetwornicy
Transformator
Wyjściowy zespół diod
Wyjściowy dławik magazynujący energię
Kondensatory wyjściowe.


Na zdjęciach termowizyjnych wszystko wygląda mniej więcej tak samo.
1. Temperatury po teście stabilności napięcia; test trwał łącznie około 15 minut, a prąd stopniowo zwiększano od 0 do 8,3 A.
2. Po zakończeniu testu przy prądzie obciążenia 4,2 A
3. Po kolejnych 20 minutach obciążenia prądem 4,5 A.

Przy tym kamera termowizyjna „widziała” jakiś element zamontowany między transformatorem a dławikiem wyjściowym i wskazywała maksymalną temperaturę do 145 stopni. Zmiana kąta nachylenia kamery zmieniała tę wartość; rzeczywiste temperatury głównych elementów podano wyżej w tabeli.


Można zapytać: jak to możliwe, że deklarowana moc wynosi 400 W, a zasilacz może oddawać ciągle tylko 200 W? Coś tu nie gra.
Odpowiedź jest prosta i kryje się w opisie produktu: zasilacz jest przeznaczony do wzmacniaczy audio, a w takim zastosowaniu średnia moc wynosi około 200 W przy maksymalnej mocy 400 W.


A teraz podsumowanie.
Pod względem konstrukcji zasilacz jest całkiem niezły: ma porządny filtr wejściowy, wszystkie elementy mocy zamontowano na radiatorze, zastosowano bezpieczne kondensatory typu Y, dławiki nawinięto drutem miedzianym, a układ ma aktywny korektor współczynnika mocy. Można się przyczepić tylko do takich rzeczy jak brak warystora na wejściu czy dławiki utrzymywane wyłącznie dzięki sztywności drutu uzwojenia.
Większość komponentów ma odpowiedni zapas parametrów, ale nie dotyczy to pojemności kondensatora wejściowego i kondensatorów wyjściowych. Są odpowiednie dla mocy 200 W, ale zdecydowanie za małe dla 400 W.
Jeśli chodzi o poziom tętnień, można powiedzieć, że wszystko jest w porządku, poza dziwnym zjawiskiem gwałtownego wzrostu amplitudy tętnień przy prądzie powyżej 8 A, które później ustąpiło i już się nie powtórzyło.

Na podstawie wyników testów mogę jednak stwierdzić, że maksymalna moc ciągła tego zasilacza wynosi zaledwie 200 W. Przy zastosowaniu aktywnego chłodzenia można ją bez problemu zwiększyć do 300 W, natomiast 400 W to moc krótkotrwała (przez kilka minut). Można oczywiście zwiększyć pojemność kondensatorów — zasilacz będzie działał nieco lepiej, ale moc ciągła praktycznie się nie zmieni.

Ogólnie rzecz biorąc, to dość niejednoznaczny zasilacz. To już wszystko, mam nadzieję, że recenzja była przydatna.