Блок живлення 60 вольт 5 ампер і трохи про його доопрацювання

Волею випадку до моїх рук на деякий час потрапив ще один блок живлення, а точніше — один із варіантів моделі, огляд якої в мене вже якось був. Але так склалося, що перед тестами довелося його трохи доопрацювати. Утім, подробиці, як завжди, в огляді.

Як зазвичай, нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на обліковий запис

Для початку поясню, чому цей БЖ потрапив до мене. Товариш купив його для перетворювача DPS5005, відповідно, йому потрібен БЖ із напругою близько 55 вольт і струмом до 5 амперів, а оскільки регулювання вихідної напруги не передбачене, то напругу треба змінити на «апаратному» рівні.

Блок живлення купували на таобао, але загалом подібні вже є й на AliExpress, тому думаю, що опис доопрацювань теж буде корисним.


Зовні виглядає загалом непогано, є, звісно, недоліки, але не сказав би, що критичні.


З боку виходу встановлено великий радіатор, але він явно призначений для активного охолодження, тож у цьому БЖ працює трохи краще, ніж суцільний шматок алюмінію.


А це для порівняння попередня модель. Не став шукати її в коробках, тому фото з попереднього огляду.
Як уже можна помітити, ключова відмінність у тому, що тут ШІМ-контролер і його обв’язка розташовані на окремій платі, а в моделі, яку оглядаю, — на спільній.


На вході також є майже повноцінний мережевий фільтр, якому, мабуть, бракує лише варистора.
Вхідний конденсатор — 220мкФ 450 вольт.


1. Клемник незручний, не дуже сподобався, поруч запобіжник.
2. Діодний міст GBU808
3. Термістор 5D-15, поруч видно пару високовольтних конденсаторів.
4. А ось тут увага: конденсатори виведені на один із кріпильних отворів. Під час експлуатації цей отвір або має бути заземлений, або взагалі не мати електричного контакту з корпусом!


Компонування практично ідентичне попередньому, і так, магнітопровід трансформатора справді стоїть криво.


Маркування ШІМ-контролера стерте. До речі, цікаво, що на високовольтній стороні є два електролітичні конденсатори, а не один. Забігаючи наперед, скажу, що запускається БЖ дуже довго — кілька секунд від моменту подавання живлення.
Під трансформатором також є компоненти, і відразу помітна пара резисторів, імовірно, встановлених у колі живлення ШІМ-контролера.


Блок живлення зібраний за топологією однотактного прямоходового перетворювача, відповідно, поруч із трансформатором є накопичувальний дросель.


1. Транзистори 17N80C3, паралельно ввімкнено два.
2. Y-конденсатор між первинною та вторинною сторонами.
3. На виході пара діодних збірок, увімкнених паралельно, але про це пізніше.
4. На виході три конденсатори 470мкФ 63 вольта, дроселя для зменшення пульсацій немає.


Знизу компонентів немає, плата відносно чиста, є захисні прорізи, тож тут усе гаразд.


Перше ввімкнення і перші дивини.
Спочатку мене здивувало, що вихідна напруга поступово зростала приблизно з 57.5 (фото зроблено трохи пізніше) до 60.2, але й це ще не все: потужність, споживана від мережі, становила близько 10-11Вт.
Спершу подумав, що якісь проблеми з електролітичними конденсаторами (таке траплялося), але навіть у такому разі БЖ без навантаження мав би відразу встановлювати вихідну напругу.


Але, як ми розуміємо, якщо пристрій споживає енергію, а до виходу нічого не під’єднано, то вся ця енергія має десь розсіюватися. Нижче — фото через кілька хвилин після ввімкнення, потім ще через 10 хвилин, а далі — після півгодинного прогрівання.
З’ясувалося, що нагрівається діодна збірка — приблизно до 83-85 градусів, і це без навантаження. За радіатор неможливо взятися.


Причина такого нагрівання була мені зрозуміла відразу, але спочатку вирішив усунути проблему зростання напруги, заодно підкоригувати її й переконатися, що припущення щодо нагрівання було правильним.

Як і належить, у блока живлення є коло зворотного зв’язку та подільник напруги. Синім позначено верхній резистор подільника, зеленим — нижній, а червоним — пару коригувальних резисторів, увімкнених паралельно один одному, але послідовно з нижнім резистором подільника.
Також на платі є місце для встановлення підлаштувального резистора, але набагато простіше замінити коригувальні резистори.
Розрахунок показав, що якщо замінити ці резистори з 750 Ом на 1.5кОм, то отримаю щось близьке до потрібного.

Крім того, як коригувальні явно використано звичайні резистори, а не прецизійні, і саме це пояснює відхилення напруги під час прогрівання.
Я багато разів зустрічав згадки про те, як хтось відбирає з пачки звичайних резисторів ті, що мають потрібний опір, і використовує їх у прецизійних колах. Але проблема в тому, що прецизійні резистори мають не лише малий відсоток відхилення номіналу, а й малий ТКО, тобто залежність опору від температури. І тут ми якраз спостерігаємо цей ефект.


Щоб було зрозуміло, про що йдеться, наведу фрагмент схеми зворотного зв’язку; кольори відповідають позначкам вище.
Також одразу скажу, що взагалі-то варто було б обмежити напругу в колі виходу TL431.



Після заміни коригувальних резисторів напруга знизилася приблизно до 53.5 вольта, але, що важливо, тепер вона практично не залежить від прогрівання: на першому фото — після ввімкнення, на другому — після пів години прогрівання. Початковий дрейф становив близько 2.7 вольта, після заміни резисторів на нормальні він зменшився до 30мВ, тобто майже у 100 разів!
Зниження напруги також позначилося на споживаній потужності, що ще раз підтвердило мою здогадку.


Тепер друга проблема — надмірне нагрівання вихідних діодних збірок.
Після демонтажу радіатора з’ясувалося, що виробник установив збірки MBRF20200CT, 20 ампер, 200 вольт, що для такого блока живлення дуже мало. Але в цьому випадку проявляється ефект, коли діод не пробивається, а просто зростає зворотний струм, відповідно, цей струм нагріває збірку.
Щоб розв’язати проблему, треба замінити діодну збірку на таку, що розрахована на вищу напругу, але не тільки: вона також має бути швидкодійною (Ultrafast, Hyperfast).

Спочатку хотів установити збірки в такому самому корпусі, але виявилося, що відповідні моделі складно знайти у продажу, тож довелося замовити 60CPH03 у корпусі TO-247.
Ця збірка не має ізоляції, тому використав шматочок слюди.
Звісно, багато хто скаже, що правильніше було б установити збірку нижче — тоді тепло відводилося б краще. Але корпус TO-247 товстіший, тож у цьому випадку міг заважати трансформатор, який стоїть надто близько.


Далі розмітив місця виводів старих діодів і зробив нові виводи, щоб вони потрапили в старі отвори. Тут треба пояснити, що у прямоходовому однотактному БЖ на виході фактично стоять два діоди: один від виходу трансформатора, другий — на спільний вихід; катоди діодів з’єднані й підключені до вихідного дроселя.
У цьому конкретному БЖ кожна діодна збірка працює як ці два діоди, але самі збірки при цьому з’єднані паралельно, тобто видалення будь-якої з них не вплине на працездатність. Але є блоки живлення, де кожна збірка фактично є одним діодом; іноді їх навіть розраховано на різну напругу, тож будьте уважні.

Подав живлення — усе працює нормально, а споживана потужність знизилася з 8Вт до 3Вт.


Порівняння: обидва фото зроблено через 30 хвилин після ввімкнення, без навантаження, але ліворуч — до переробки, а праворуч — після.


Тепер можна перейти до тестів, і почну з перевірки навантажувальних характеристик і точності стабілізації напруги.


Загалом тут усе чудово: на мій погляд, напруга більше «пливе» від прогрівання, ніж від навантаження. Результати: без навантаження, за струму 2.5 і 5А, а потім знову без навантаження.


Блок живлення нормально витримав і навантаження 6 ампер. Більше навантажувати не став, бо блок не мій і його ще треба повертати, хоча думаю, що із захистом від перевантаження, найімовірніше, усе було б гаразд.
А от ККД не назвав би високим: у мене на піку вийшло близько 86-87%, шкала внизу відповідає струму з кроком 0.5А.


Пульсації на виході вимірював із фільтром із конденсаторів 1+0.1мкФ у режимах без навантаження та за струмів 1.5, 3 і 5А.
З огляду на вихідну напругу, результат цілком непоганий. За прямого підключення щупа, звісно, були «голки», але на проводах до навантаження вони згладяться.


На низькій частоті пульсації теж не назвав би критичними. До речі, блок живлення має діапазон вхідної напруги 170-260В, тобто він «вузькодіапазонний».


Ще на початковому етапі мені не дуже сподобалися вихідні конденсатори, тож вирішив спробувати встановити інші. На жаль, конденсатори, показані на фото нижче, були найкращими з тих, що я знайшов у тому самому магазині, де купував діодну збірку.
Номінал і напругу взяв такі самі, як у рідних. Хотів поставити більші, але вони просто не вмістилися б на платі.


І все ж навіть у них ESR становить 33мОм проти 56мОм у рідних.


Щоб трохи скоротити результати порівняння, наведу лише тести за максимального струму навантаження. Усюди ліворуч — до заміни конденсаторів, праворуч — після.
1, 2. Пряме підключення щупа
3, 4. Щуп із фільтром
5, 6. НЧ-пульсації.

Видно, що нові конденсатори майже ніяк не вплинули на короткі імпульси, але приблизно в півтора раза зменшили основні пульсації. До речі, це приблизно відповідає різниці в ESR старих і нових конденсаторів.
Заміна також ніяк не вплинула на НЧ-пульсації, що цілком логічно, тим паче що ємність нових конденсаторів трохи менша.


Нагрівання перевіряв у три етапи: спочатку за струмів 1.5 і 3 ампера, а після того, як блок живлення пройшов ці випробування, — і за 4.5 ампера. Кожен етап тривав по 20 хвилин, при цьому плата просто лежала на столі радіаторами догори.

Тут ситуація практично ідентична версії на 24 вольти — шалено нагрівається вихідний дросель. Також відзначу високу температуру термістора. Минулого разу я її не вимірював, але думаю, що було б те саме.


Термознімок після етапів за 1.5 і 3 ампера.


А це вже після випробування за 4.5 ампера. Через високу температуру термістора мені навіть довелося зробити два окремі фото, щоб фокус із максимальною температурою не перескакував на нього.
Мабуть, пірометром я не міг коректно виміряти температуру термістора й дроселя: на першому було близько 175 градусів, на другому — 160. А який стояв запах — словами не передати: китайський перегрітий лак, цей запах довго витав у мене по всій кімнаті :)

А от вихідна діодна збірка працює цілком нормально, а отже, правильно підібрана і за струмом, і за швидкісними характеристиками.


Висновки.
Ну що тут скажеш, по суті результати ті самі, що й були: БЖ на повну потужність може працювати лише з примусовим охолодженням, причому в обох випадках максимальна тривала потужність була на рівні 250Вт.

Що зроблено:
1. Замінено резистори корекції ОС, причин дві — зміна вихідної напруги та підвищення термостабільності.
2. Замінено вихідну діодну збірку. Причина — спочатку були встановлені діоди на низьку напругу, через що відбувалося сильне самонагрівання.
3. Замінено вихідні конденсатори — пульсації зменшилися в півтора раза. Добре було б поставити щось фірмове, але швидко купити не зміг.

Що ще варто було б зробити:
1. Поставити стабілітрон у коло оптопари, оскільки максимальна напруга TL431 становить лише 37 вольт, а на виході зараз маємо 53.5. У нормальному режимі стабілізації це не критично, але під час перехідних процесів можуть виникнути проблеми.
2. Замінити вихідний дросель: судячи з тестів, він працює з перевантаженням.

Загалом склалося враження, що спочатку це був непоганий БЖ на 24 вольта, 150-180Вт, який потім «розігнали» до 300Вт, а далі почали підвищувати вихідну напругу: спочатку випустили версію на 36 вольт, потім на 48 і нарешті на 60.
На цьому етапі доопрацювання вже обійшлося приблизно в $2.5, тобто в чверть початкової вартості БЖ. Як на мене, для готового виробу це забагато.

На цьому, власне, поки все. Не знаю, що додати, сподіваюся, було корисно :)