36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт, або продовжуємо вивчати, як влаштовані блоки живлення + невеликий бонус

У минулому огляді блока живлення я порушив тему того, як вибрати правильний блок живлення. Чесно кажучи, я трохи не очікував, що ця тема виявиться такою потрібною. У коментарях, а ще більше в особистому листуванні, мене запитували й про інші нюанси вибору, принципи роботи та алгоритм пошуку несправностей.
У цьому огляді я постараюся відповісти на більшість цих запитань, а також, можливо, порушу тему нових запитань :)

Почну з того, що для одного з моїх найближчих проєктів знадобився блок живлення на 36 Вольт 10 Ампер. Точніше, знадобилося два, і замовив я два, але оскільки вони абсолютно однакові, то й огляд буде одного блока.
Для чого саме — поки писати не буду, вже вибачте, але цей блок живлення ми розберемо «до гвинтика».

Як завжди, спочатку упаковка.
Блоки живлення приїхали (крім загальної упаковки) у звичайних білих картонних коробках, жодних розпізнавальних знаків на упаковці не було — просто дві великі коробки.
На вигляд абсолютно однакові, хоча я б радше здивувався, якби вони були різними :)


Основна відмінність імпульсних блоків живлення від тих, у яких використовуються трансформатори на 50 Гц, — розмір. Друга відмінність — ціна.
Трансформатор на 50 Гц такої потужності буде набагато більшим, і хоча його конструкція значно простіша, коштуватиме він дорожче, адже містить більше міді та заліза.
Крім того, імпульсні БЖ мають вищий ККД, тому останнім часом набули широкого поширення, хоча «залізні» трансформатори відрізняються більшою надійністю.
Але варто враховувати, що брендові БЖ зазвичай ще складніші й дорожчі, оскільки мають якісну елементну базу, фільтри живлення, коректори коефіцієнта потужності тощо. Тому частіше люди користуються простішими варіантами від невеликих китайських фірм.
Один із таких блоків живлення ми й розглянемо в цьому огляді.
Якщо раніше ми розглядали блоки живлення невеликої потужності, то цього разу я розповім про доволі потужний варіант БЖ на 360 Ватт, хоча на тлі варіантів БЖ потужністю 800-2000 Ватт і він здається «малюком».

Як я вже писав вище, імпульсні БЖ зазвичай мають невеликі розміри.
Висота цього блока живлення приблизно як у коробки сірників — 49мм. Довжина блока живлення — 215мм, ширина — 114мм.


На одній із бічних граней корпусу є маркування:
S-360-36
Потужність блока живлення — 360 Ватт
Вихідна напруга — 36 Вольт
Максимальний вихідний струм — 10 Ампер
Вхідна напруга — 110/220Вольт ±15%

З іншого боку є перемикач діапазону вхідної напруги, який у наших країнах неактуальний і навіть шкідливий: якщо перемкнути його в режим 110 Вольт і під'єднати до стандартної мережі 220-230 Вольт, найімовірніше, почуємо гучний бах.
Під час ремонту таких БЖ я зазвичай одразу відкушую цей перемикач — просто з міркувань безпеки.


Зверху корпусу встановлений невеликий вентилятор. За такої потужності блоки живлення вже вкрай рідко роблять із пасивним охолодженням. Мені такі траплялися лише кілька разів, але через складність конструкції вони коштують дуже дорого, тому й поширені мало.
Поруч є напис, який вказує, що вентилятор автоматично вмикається та вимикається залежно від температури.
Трохи забігаючи наперед, скажу, що жодної автоматики немає: без навантаження він обертається повільно, але варто хоч трохи навантажити БЖ — оберти одразу зростають до штатних, незалежно від температури.


У попередньому огляді я писав, що блоки живлення, розраховані на великий вихідний струм, зазвичай мають розділені клеми для підключення навантаження. Так зроблено і в цьому БЖ: тут установлено по три клеми для плюсового та мінусового контактів.
Вхідні клеми стандартні — фаза, нуль, заземлення.
Також ліворуч установлено світлодіодний індикатор роботи блока живлення та підлаштувальний резистор для коригування вихідної напруги.


Клемник має захисну кришку, яка відкривається на 90 градусів, а в закритому стані защіпається.


У мене є звичка розбирати БЖ перед першим увімкненням. Роблю це задля безпеки, адже траплялися різні випадки.
Усередині цього БЖ на вигляд усе гаразд, за винятком невеликого нюансу, який я помітив одразу. Річ у тім, що вихідний дросель має великі розміри й майже торкається верхньої кришки, а це не дуже безпечно. Струмом, звісно, не вб'є, але БЖ може постраждати, тож я б рекомендував прокласти додаткову ізоляцію між дроселем і кришкою. На таку проблему страждають багато недорогих блоків живлення, тож це не недолік саме цього блока.


Як я писав вище, блок живлення охолоджується невеликим вентилятором.
Судячи з маркування, вентилятор має розміри 60х15мм, тобто 60мм — це довжина й ширина, а 15мм — товщина.
Вентилятор розрахований на 12 Вольт. На жаль, тут використано недорогий вентилятор, до того ж із підшипниками ковзання. Якщо плануєте десь застосовувати такий БЖ, то для тривалої безпроблемної роботи я б замінив його на щось краще.
Я вже якось писав у своїх оглядах, що найчастіше використовую вентилятори фірми Sunon: на мій погляд, вони мають досить високу якість і надійність.
Із хорошого можна сказати, що вентилятор у цьому БЖ досить тихий, і це дуже добре.


Силові напівпровідники прикручені до алюмінієвого корпусу блока живлення через невеликі тепловідвідні прокладки.
Мені не дуже подобається такий спосіб кріплення напівпровідників, але так роблять майже всі. Наприклад, у блоках живлення фірми Менвелл транзистор кріпиться так само, щоправда, там задля безпеки на нього надягають гумовий ковпачок.
Оскільки цей блок живлення двотактний, високовольтних транзисторів два, а не один.
Вихідний діод один, хоча на платі є місце для встановлення другого, який підключається паралельно першому. Другий установлюють у блоках, розрахованих на меншу напругу й більший струм, але ніхто не заважає поставити другий і тут. Щоправда, це вже радше доопрацювання, а вимірювання покажуть, чи має сенс така операція.


Огляд завершили, вмикаємо й проводимо невелику перевірку.
Мета цієї перевірки — з’ясувати межі регулювання вихідної напруги й виставити на виході БЖ ту напругу, на яку він розрахований, або ту, яка потрібна.
1. Після ввімкнення БЖ показав на виході 36.8 Вольта.
2. Мінімальна напруга, яку можна виставити, — 34.53. Я розраховував, що мінімальний поріг буде нижчим, тож для мого застосування доведеться доопрацювати.
3. А ось максимальний поріг неабияк здивував. Коли крутив регулятор, навіть стало трохи не по собі. 52.3 за штатних 36. Очікував, що БЖ накриється, поки я фотографуватиму, але все минуло нормально, хоча не рекомендую виставляти таку напругу на виході: зазвичай нормальним вважається відхилення ±10% від штатної.
4. Виставляємо на виході 36 Вольт. Судячи з діапазону регулювання, вже можна зрозуміти, що воно дуже грубе, тому мені довелося трохи помучитися, щоб виставити рівно 36 Вольт, хоча в реальному житті в цьому немає сенсу, і зроблено це було лише для огляду :)


Продовжуємо розбирати блок живлення.
Транзистори досить міцно прилипли до своєї пластинки, віддирати їх не хотілося, тому я відкрутив і пластинку-теплорозподільник :)


До плати особливих претензій не виникло: звичайне недороге складання, бувало й гірше, але бувало й краще. За п’ятибальною шкалою — на 3 бали.
Але один дефект усе-таки знайшов: не дуже якісно було припаяно один із контактів трансформатора. Непропай у цьому місці не призвів би до чогось фатального, але засмутив.
Доріжки, якими тече значний струм, додатково залуджені припоєм.


Звісно, я накреслив схему цього БЖ. Робив це лише для огляду, адже добре знаю схемотехніку таких блоків живлення й зазвичай не потребую схеми, але, можливо, комусь вона стане в пригоді, бо така схема (з деякими невеликими змінами) використовується в більшості БЖ такої потужності.
Хоча я й добре знаю цю схемотехніку, перемальовувати схему з плати було не дуже зручно, і це зайняло більше часу, ніж я планував.
Схема майже повторює схему класичного комп’ютерного блока живлення і, як показала практика, дуже добре піддається ремонту.
На схемі є шунт для вимірювання струму. На схемі його опір зазначено як 0.1 Ома, але насправді під час перевірки він був радше схожий на перемичку.


Далі я вирішив трохи розповісти про те, як узагалі працюють такі блоки живлення, тим паче що багато вузлів є типовими майже для всіх імпульсних блоків живлення.
На цій структурній схемі позначено основні вузли імпульсного блока живлення. Щоправда, зараз задавальний генератор і схема керування виконуються в одній мікросхемі, а іноді мікросхема містить високовольтний транзистор.
Іноді на вході імпульсного блока живлення встановлюють коректор коефіцієнта потужності, а в потужних БЖ він обов’язковий, якщо БЖ відповідає європейським нормам. Але про це я розповім якось іншим разом, адже в недорогих БЖ він майже не трапляється.


На підставі цієї блок-схеми я й розповідатиму далі про цей БЖ, але спочатку трохи теорії про процеси, що відбуваються в імпульсному блоці живлення.
Ключовий принцип роботи імпульсного блока живлення — ШІМ-стабілізація. Щоправда, варто зазначити, що існують і імпульсні блоки живлення без неї, але вони нестабілізовані, тобто вихідна напруга залежить від потужності навантаження та вхідної напруги.
ШІМ-регулювання — це зміна співвідношення часу ввімкненого стану комутаційного елемента до часу вимкненого стану.
На графіку це виглядає так:


Якщо пояснювати «на пальцях», то нещодавно я пояснював цей принцип стабілізації в особистому листуванні. Спробую повторити тут.
Багато хто, мабуть, пам’ятає задачки на кшталт: через одну трубу в басейн надходить вода зі швидкістю х літрів за хвилину, а через іншу витікає зі швидкістю Y літрів за хвилину.
На цьому принципі я й поясню, як це працює.

Для початку уявімо, що є дуже велика ємність (електромережа), мала ємність (конденсатор вихідного фільтра блока живлення) і різні дрібниці для переправлення води з одного місця в інше.
На бочці встановлено кран, через який вода витікає до споживача, або, якщо хочете, енергія надходить до навантаження.
Поповнювати бочку ми можемо лише певну кількість разів на хвилину (є й альтернативні варіанти, але поки про них не говоритимемо), наприклад, 100 разів.
Наше завдання — постійно підтримувати рівень води в бочці.
Оскільки поповнювати її можна лише певну кількість разів на хвилину, доведеться щоразу додавати різні об’єми води.
Наприклад, якщо споживання невелике, вистачить звичайних чашок, а якщо кран відкрито на повну, доведеться використовувати відра.
У ШІМ-регулюванні це означає меншу або більшу тривалість відкритого стану силового елемента.
Якщо кран закритий, поповнюємо бочку наперстками — адже є ще випаровування (витоки, навантаження кола зворотного зв’язку тощо), яке треба компенсувати :)

За допомогою вузла зворотного зв’язку контролер відстежує напругу на виході блока живлення та підлаштовує потужність, що передається в навантаження, так, щоб вихідна напруга БЖ залишалася незмінною.
До речі, у такий спосіб можна організувати зворотний зв’язок за будь-яким параметром.
Наприклад, у драйверах світлодіодів контролер стежить за струмом.
Можна стежити за температурою, підлаштовуючи швидкість вентилятора, за освітленістю, регулюючи яскравість лампочки тощо.

На цій діаграмі показано:
1. Струм у колі трансформатора (умовно)
2. Сигнал керування ключовим транзистором
3. Напруга на вихідному конденсаторі.


Існує чимало топологій побудови імпульсних блоків живлення. Я намалював кілька найпоширеніших.
Трохи розповім про них.
1. Зворотноходовий перетворювач. Застосовується там, де потрібен широкий діапазон вхідної напруги та невелика потужність (до 100-150 Вт). Найімовірніше, у блоці живлення вашого планшета або монітора використано саме цю схему.
2. Напівмостовий перетворювач. Також дуже поширена схемотехніка. Думаю, не дуже помилюся, якщо скажу, що в 95% комп’ютерних БЖ використано саме таку схемотехніку. Її переваги — велика потужність за відносно простої схемотехніки та менший розмір трансформатора, оскільки його використовують без зазору, на відміну від першого варіанта.
3. Двотактний перетворювач (PushPull — «тяни-штовхай»). У мережевих блоках живлення цю схему застосовують украй рідко, зате вона широко використовується в інверторах недорогих джерел безперебійного живлення.
4. Мостовий перетворювач. Так би мовити, «розширена» версія напівмостового. Переваги — велика потужність, струм через силові ключі вдвічі менший, ніж у напівмостовому.
Також таку схему застосовують у складніших джерелах безперебійного живлення.

Є ще кілька топологій, але вони є похідними від наведених вище й менш поширені, тому до цієї статті не потрапили.


Цього разу я також накреслив кольоровий варіант схеми блока живлення, який оглядаю, і позначив кольорами основні вузли, про які говорив вище.
Як я писав, деякі кольори мені важко правильно назвати, тому уточнюватиму.
Червоний — вхідний фільтр живлення, діодний міст, силовий вузол.
Червоно-фіолетовий (унизу ліворуч) — вузол керування потужними транзисторами інвертора.
Зелений — мікросхема ШІМ-контролера та її «обв’язка».
Синій — вихідний випрямляч, дросель і конденсатор фільтра
Блакитний — коло контролю вихідного струму
Фіолетовий — вузол контролю вихідної напруги
Жовтогарячий — вузол блокування перетворювача в разі зниження напруги на виході.

У цій схемі немає звичного елемента, який був на всіх попередніх схемах, — оптрона. Річ у тім, що тут ШІМ-контролер живиться від вихідної напруги. Початковий запуск блока живлення відбувається завдяки резисторам R8 і R14. Такий принцип застосовували в комп’ютерних блоках живлення стандарту AT; із появою стандарту ATX контролер почав живитися від джерела живлення чергового режиму, і ці резистори прибрали зі схеми.


Далі я покажу більшість вузлів і елементів на прикладі конкретного блока живлення.
Почнімо з мережевого фільтра.
У цьому блоці живлення він є, і це вже добре, адже в дешевих комп’ютерних блоках живлення замість нього ставлять просто перемички, а в дорогих він може бути багатоступеневим. Тут маємо проміжний варіант між цими двома.


На вході блока живлення встановлено запобіжник і обмежувач пускового струму — терморезистор NTC (термістор).
Також є конденсатор X2 для зменшення завад, які блок живлення випромінює в мережу.


Двохобмотковий синфазний дросель намотаний досить товстим дротом, хоча за такої потужності його можна було б зробити й більшим.
Вхідний діодний міст KBU808 розрахований на 8 Ампер 800 Вольт.


У фільтрі живлення є як Y-конденсатори, так і один звичайний високовольтний конденсатор.
Але в цьому випадку використання звичайного високовольтного конденсатора замість конденсатора типу Y безпечне: якщо блок живлення не заземлений, то навіть у разі пробою його вихід усе одно буде під’єднаний через Y-конденсатор, а якщо блок живлення заземлений, то й поготів нічого не станеться :)


Конденсатори вхідного фільтра живлення мають маркування 680мкФх250 Вольт.
Якщо вірити маркуванню, їхньої ємності загалом достатньо, а напругу вибрано навіть із запасом.


Але реальність виявилася дещо іншою: ємність конденсаторів становить лише 437мкФ, що при послідовному з’єднанні дає всього близько 220мкФ. Мало, хоча загалом і терпимо.
Більша ємність подовжує строк служби конденсаторів, зменшує пульсації та додає запасу за вхідною напругою в бік її зниження.
Думаю, згодом замінити їх на щось пристойніше, але поки не знайшов відповідних, оскільки висота цих конденсаторів — 35мм, максимум можна спробувати встановити 40мм, а більшість знайдених мною конденсаторів мають висоту 45мм.
На платі передбачено місце для конденсатора більшого діаметра, тож «будемо шукати» :)


Вузол ШІМ-контролера та інвертора.
Як ШІМ-контролер застосовано «класику жанру» — KA7500, яка є майже повним аналогом TL494, мабуть, найпоширенішого ШІМ-контролера; позмагатися з ним за популярністю може хіба що uc384x.
Силові ключі інвертора — MJE13009


На жаль, теплорозподільна пластина притискається до корпусу без термопасти. Тестування показало, що проблем через це не виникає, але я б для власного спокою все-таки наніс термопасту.


Вузол вихідного трансформатора, випрямляча та конденсаторів фільтра.


Вихідний діод — SF3006PT, це діод на 30 Ампер 400 Вольт, чого більш ніж достатньо для блока живлення на 10 Ампер.
Як я писав вище, поруч є місце для другого діода, тож загалом характеристики можна трохи поліпшити, але насправді приріст ККД буде мізерним.


Вихідний дросель.
Тут він виконує дещо іншу функцію, ніж у зворотноходових блоках живлення, звідси й такі великі розміри. Скажу лише, що його розміри відповідають заявленій потужності блока живлення. За винятком висоти, зауважень немає.
Конденсатори вихідного фільтра.
Виробник установив три конденсатори по 1000мкФ 63 Вольта.
Зазвичай я кажу, що ємність вихідного конденсатора має становити 1000мкФ на кожен ампер вихідного струму. У двотактних блоках живлення вимоги менш суворі, і навіть брендові виробники ставлять таку саму (а іноді й меншу) ємність за такого струму. Щоправда, на їхній захист можу сказати, що в брендових БЖ конденсатори кращої якості.
Також на фото видно струмовий шунт і те, що для варіантів із більшим струмом передбачено місце для додаткових шунтів.


Тут із ємністю все гаразд. Практично відповідає заявленій.


Після огляду я скрутив усе назад, тільки не прикручував верхню кришку, і перейшов до етапу тестування під навантаженням.
Стенд у мене залишився таким самим, як і минулого разу, і складається з:
Електронного навантаження
Мультиметра
Безконтактного термометра
Осцилографа
Ручки й папірця :)

Щоправда, цього разу мені довелося зняти верхню кришку з електронного навантаження, бо я боявся, що воно перегріватиметься за такої потужності.
Загалом тестування проходило так само, як і минулого разу, за винятком того, що для вимірювання температури мені доводилося на ходу знімати верхню кришку. Через це деякі виміряні значення температури будуть трохи завищеними, оскільки блок живлення встигав трохи нагрітися без примусового охолодження.


1. Режим холостого ходу, напругу встановлено на рівні 36.03 вольта, пульсації практично відсутні.
2. Струм навантаження 2 ампери, напруга трохи піднялася й становила 36.06 вольта, пульсації в нормі.


1. Струм навантаження 4 ампери, вихідна напруга піднялася ще трохи, пульсації в нормі.
2. Струм навантаження 6 ампер, вихідна напруга 36.09 вольта — це дуже хороший результат, пульсації при цьому лише 50мВ


1. Струм навантаження 8 ампер, вихідна напруга майже не змінилася, пульсації зросли до 75мВ, але все одно залишаються низькими для такого струму.
2. Струм навантаження 10 ампер, вихідна напруга піднялася до 36.12 вольта — чудовий результат, відхилення від початкового значення становить лише 0.3%. Пульсації зросли до 100мВ, на мій погляд, нічого страшного, особливо з огляду на те, що блок живлення видає 360 Ватт, а 100мВ — це лише 0.25-0.3%
Для прикладу: якби це був блок живлення на 12 Вольт, еквівалент пульсацій становив би 30мВ.
На жаль, останній тест тривав лише 15-16 хвилин замість звичних для мене 20: в електронному навантаженні спрацював захист від перегрівання й вимкнув навантаження :(


Давши навантаженню трохи охолонути, я вирішив заради експерименту продовжити тест, але вже зі струмом 12 ампер — то вже перевіряти, то перевіряти :)
Я вирішив провести цей експеримент, бо компоненти блока живлення мали температуру, далеку від максимальної.
Але, на жаль, блок живлення пропрацював так максимум хвилину. Я зробив фото, зняв осцилограму, але потім пролунав дуже тихий клац (хоча на тлі виття вентиляторів навантаження, можливо, він був не таким уже й тихим), промайнув крихітний спалах біля силових ключів — і блок живлення затих :(
Щоправда, у мене була невелика підозра, що винне електронне навантаження: за певних обставин, у разі перегрівання, воно могло закоротити вихід блока живлення (якщо спочатку спрацював захист на тому радіаторі, де розташований датчик струму). Хоча за хвилину воно не встигло б нагрітися до такої температури, але хай там як, блок живлення не витримав :(


Осцилограма перед виходом з ладу.
Видно, що напруга пульсацій цілком у нормі. Але мене засмучують високочастотніші пульсації, спричинені, найімовірніше, «дзвоном» у силових колах. Як на мене, це одна з можливих причин виходу з ладу, але стверджувати не буду.


Вимірювання теплового режиму роботи відбувалося, як завжди: 20 хвилин прогрівання, вимірювання температур, підвищення струму на один крок тощо.
Отримані результати можна побачити в таблиці. Верхній рядок цифр — вимірювання температури на холостому ходу; заодно я перевірив, чи показує термометр однакові значення на різних компонентах.


Як невеликий бонус я трохи опишу методику пошуку несправності й ремонту саме цього БЖ, а також принципи пошуку несправностей для більшості поломок інших блоків.

Підсумок.
Переваги
Блок живлення видав заявлену потужність
Тепловий режим роботи в нормі
Невеликий рівень пульсацій
Є нормальний фільтр на вході 220 Вольт
Чудова стабільність вихідної напруги
Добра ремонтопридатність

Недоліки
Проблеми з надійністю під час перевантаження або короткого замикання
Ємність конденсаторів вхідного фільтра занижена
Немає заявленого автоматичного керування вентилятором.
Низька якість вихідних конденсаторів

Моя думка. Мене дуже засмутило те, що блок живлення вийшов з ладу, хоча це й сталося за потужності, вищої за заявлену, але це свідчить про відсутність захисту від перевантаження або його некоректну роботу. Водночас мене потішив температурний режим блока живлення: навіть за максимальної потужності жодні компоненти не перегрівалися, хоча повітря на виході мало легкий запах нагрітих компонентів, але це часта особливість нових блоків живлення.
Та навіть попри те, що я спалив цей блок живлення, можу сказати, що він має непоганий потенціал, і якщо його не перевантажувати, то працюватиме. Переважно це пов'язано з відпрацьованістю цієї схемотехніки: тут важко щось напартачити, хоча проблеми з надійністю таки вилізли :(
У майбутньому думаю трохи його доопрацювати й сподіваюся, що незабаром ви побачите його (а точніше, їх) в одному з моїх нових пристроїв, до якого я потроху готую огляд. Там же буде й опис доопрацювання.

Цілком можливо, що в огляді є певна кількість помилок. Якщо помітили — пишіть, виправлю або за потреби доповню.
Уся інформація про ремонт ґрунтується на особистому досвіді. Загалом різноманіття причин поломок і способів визначення несправності набагато більше, ніж я описав, але боюся, що описати все дуже складно, та й стаття вийде ну зовсім великою.
Сподіваюся, що принаймні частина читачів знайде відповіді на запитання, які вони мені ставили.

Магазин надав знижку на блок живлення: початкова ціна становила 30.2 долара, протягом тижня діятиме ціна 26.99.

Товар надано магазином для написання огляду.