48 Вольт, 5 Ампер і 240 Ватт, або блок живлення, який зміг здивувати

Багато хто знає про мою любов до різних блоків живлення. Я оглядав блоки живлення на 5, 12, 24 і 36 Вольт, а сьогодні черга наступного ступеня — БЖ на 48 Вольт.
Загалом на мій операційний стіл потрапив блок живлення на 48 Вольт і 240 Ватт. Будемо розбирати, вимірювати, тестувати й, звісно, аналізувати.

Щось давненько я не розбирав блоки живлення, навіть почав за ними скучати.
Взагалі цей блок живлення лежав у мене вже давно, усе якось руки не доходили, але ось дійшли, тим паче що БЖ цілком корисний.

Цей блок живлення надійшов у такій самій стандартній білій коробці, як і всі інші. Така упаковка є навіть у брендових БЖ.
Конструктивно блок живлення виконаний у металевому кожусі.
На одній із бічних сторін розташований перемикач діапазону вхідної напруги.
На іншій — наклейка, яка повідомляє, що перед нами блок живлення з такими характеристиками:
Вхідна напруга — 110/220 Вольт
Вихідна напруга — 48 Вольт
Вихідний струм — 5 Ампер
Максимальна потужність — 240 Ватт
Розміри — 200 х 110 x 50 мм


Зовні до блока живлення претензій не виникло, та й виглядом він не відрізняється від сотень інших моделей БЖ такого формфактора — хіба що розмірами.
Хоча є невелика відмінність.
У попередньому огляді модель на 36 Вольт і 10 Ампер була «дзеркальною» щодо цієї.
Іноді це може бути важливо.


На одному з торців розташований клемник для підключення живлення, заземлення та навантаження.
Клемник дає змогу підключити три вихідні лінії, але всередині вони з'єднані разом, адже БЖ одноканальний. Це може бути зручно, коли потрібно підключити кілька споживачів, і найчастіше таке трапляється у відносно потужних блоках живлення


Цього разу кришку клемника не вдасться підняти на 90 градусів, як це можна було зробити в попередніх моделях. Невеликий, але все ж мінус.
Між корпусом і клемником примостилися регулятор вихідної напруги та світлодіодний індикатор увімкнення БЖ. Саме примостилися: при побіжному погляді можна подумати, що їх немає.


Оскільки зовні більше нічого розглядати, зазирнемо всередину :)
Усередині все та сама класика: Г-подібне шасі, яке закривається такою самою Г-подібною перфорованою кришкою. Шасі алюмінієве, кришка — сталева.


Розгляньмо ближче. Перше, що впало мені в око, — доволі великий для такої потужності трансформатор, хоча з огляду на пасивне охолодження це нормально.
Якби охолодження було активним, трансформатор, напевно, був би скромніших розмірів.
Пам'ятаю дешеві комп'ютерні БЖ JNC, на яких було зазначено 300 Ватт, а трансформатор був менший за сірникову коробку.
В іншому можна сказати, що схема класична, монтаж вільний.


Зовні — один в один БЖ на 36 Вольт із попереднього огляду, але, як я писав вище, дзеркальний. Якщо порівняти фото цих БЖ, одразу стане зрозуміло.


Пройдемося критичними вузлами — так би мовити, проведемо невеликий первинний візуальний огляд і аналіз.
Починаємо, як завжди, з мережевого фільтра.
Тут він є. Єдина відсутня деталь — конденсатор X2 після дроселя (з боку БЖ, а не мережі), але, на мою думку, це не критично.


А тепер розгляньмо ближче. Заодно згадаємо, на що звертати увагу під час вибору БЖ.
1. Конденсатор фільтра X2 (сірий), двообмотковий (синфазний) дросель, пара конденсаторів типу Y2. Усе на місці, тут запитань немає.
2. Конденсатор від мінуса БЖ до корпусу БЖ — тут звичайний високовольтний. Y2 виглядав би краще, але для цього місця це не так критично, тож можна пробачити.
3. На вході встановили діодний міст типу T20XB60, виробник заявляє максимальний струм до 20 ампер (за умови встановлення на радіатор, звісно) і напругу до 600 Вольт (амплітудну).
Для цього застосування — просто чудово.
Від кидків струму під час заряджання конденсаторів вхідного фільтра захищають два термістори (терморезистори NTC), з’єднані паралельно. У попередньому БЖ стояв один, може, тут поставили запасний? :)
Загалом поки все нормально.


1. Вхідні електролітичні конденсатори заявлені як 680мкФ 250В, відомої китайської фірми RubiconG, їх, мабуть, виготовляють десь поруч з Акайвою та Абібасом. Ну гаразд, потім виміряємо, адже термоусадка може бути будь-якою. На вигляд таке враження, ніби їх перед монтажем гризли. О_о.
2. Високовольтні транзистори в корпусі TO-247 притиснуті пластиною через термопрокладку до корпусу, видно й термопасту — тут причепитися ні до чого.
3. Вихідний діод у цьому БЖ здивував мене двічі. Точніше, навіть не діод, а спосіб його монтажу.
Вихідний струм цього БЖ — лише 5 Ампер (потужність, що розсіюється на діоді, приблизно така сама, як у БЖ 5В 7А), але тут йому додали ще й додатковий алюмінієвий радіатор.
Тут він ні до чого, відкручу — може, знадобиться. Головне, щоб виробник не дізнався, а то перестане встановлювати :)
4. Вихідний дросель і конденсатори. Дросель видався мені трохи замалим, та й вихідного фільтра немає. Але тести покажуть, хто є хто, може, все й нормально.


Друге, чим мене здивувала вихідна діодна збірка. Розумію, що вона виділяє не так багато тепла, як потужніші модифікації, але монтувати її так… За таке треба бити по руках, і краще дуже сильно, бо ТРЕБА.
Працювати все це буде, але не дуже надійно. Не кажучи вже про те, що через теплові деформації, цикли нагрівання й охолодження діод може взагалі вискочити з кріплення.


Перший тест.
Спочатку вихідну напругу було встановлено на рівні 48.7, діапазон регулювання охоплює значення від 35 до 53 Вольта, після цього я виставив належні 48 Вольт.
Цікаво, що в БЖ на 36 Вольт був точно такий самий діапазон регулювання.


Під час вимірювання вихідної напруги я відчув запах чогось гарячого (радіоаматори зрозуміють). Одразу взяв пірометр і почав шукати, що нагрівається (спочатку шукав класичним способом) — знайшов.
Між конденсаторами вихідного фільтра стоїть навантажувальний резистор, який нагрівається.
Номінал резистора — 1 кОм, такий самий, як у БЖ на 36 Вольт, але там на ньому розсіюється 1,3 Ватта, а тут — 2.3 Ватта. Зрозуміло, що він перегрівається. Рекомендую або замінити його на 1.5 кОм, або відсунути трохи далі від конденсаторів — місця вистачає.
Але встановлювати таку «міну» просто некрасиво.


Після цього блок живлення розібрав далі: плата тримається на одному гвинті та кріпленнях транзисторів і діода, хоча є місце ще для одного кріпильного гвинта.
До речі, у платі є отвори навпроти кріпильних отворів у самому корпусі, тобто якщо ви вирішили прикрутити сам блок до чогось, можете не перейматися довжиною гвинтів — завдовжки 50 мм точно влізуть.


Друкована плата на четвірку. Якість паяння середня, доріжки, якими тече великий струм, залуджені. Загалом звичайна плата, матеріал — гетинакс, як у більшості таких пристроїв.
Жодних компонентів знизу немає.


У цьому випадку схему я не креслив, а просто вніс зміни до схеми блока живлення на 36 Вольт.
Річ у тім, що відмінності між цими блоками живлення мінімальні.
1. Прибрали вузол живлення вентилятора
2. У версії на 36 В термістор стояв перед фільтром живлення, тепер — після діодного моста.
3. Прибрали резистор R7 (коло снабера)
4. Змінили номінал резистора R41 (увімкнений послідовно зі світлодіодом)
5. Встановили іншу вихідну діодну збірку.
6. Змінили вихідний дросель.
Ба більше, усі позиційні позначення елементів на друкованій платі точно такі самі, як у версії на 36 Вольт. Це зручно, але з огляду на те, що плата «дзеркальна», мені здається, це зробили навмисно.


Високовольтні транзистори D13009K, як і в попередньому блоці живлення.
А ось діодна збірка тепер інша — C25P40F, максимальний струм 25 Ампер, напруга до 400 Вольт. Для блока живлення на 5 Ампер це з великим запасом.

Як я писав вище, у цьому блоці живлення немає вузла живлення вентилятора, але місце на платі є. За потреби цілком можна впаяти відсутні елементи й установити вентилятор.
Також є місце для другої діодної збірки, паралельної першій, але за таких струмів вистачає й однієї.


Під час огляду на платі виявилося маркування, яке вказує, що спочатку це була плата від (або для) блока живлення на 300 Ватт.
Зрозуміло, що плати уніфіковані й використовуються в усій лінійці блоків живлення такої потужності.
Щоправда, є невеликий нюанс: блок живлення на 5 Вольт і 30 Ампер — це не те саме, що блок живлення на 30 Вольт і 5 Ампер, хоча потужність у них однакова.
Причина в тому, що якщо використано той самий інвертор і втрати на ньому однакові, то на вихідному діоді за струму 30 Ампер виділиться набагато більше тепла, ніж за 5 Ампер, навіть з огляду на те, що у версії на 5 Вольт стоять діоди Шотткі.
Іноді виробники навіть занижують вихідний струм, указуючи для блока живлення на 150 Ватт, наприклад, 30 Вольт і 5 Ампер та 5 Вольт і 25 Ампер.


Блок живлення побудований на базі найвідомішого ШІМ-контролера KA7500, більш відомого під оригінальною назвою TL494. Є й вітчизняний аналог цієї мікросхеми — її взагалі випускали всі, кому не ліньки :)


Трохи розповім про ШІМ-контролери загалом і про TL494 зокрема.
Для початку варто сказати, що цей ШІМ-контролер дуже поширений. Так сталося завдяки його простоті, низькій ціні, непоганій якості роботи та хорошій передбачуваності.
Я познайомився з ним близько 17 років тому. На той час це була дуже хороша мікросхема.
Зрозуміло, що зараз ШІМ-контролерів стало багато: низьковольтних, високовольтних, багатофазних, із вбудованим силовим ключем і без нього тощо.

Мікросхема випускається в 16-вивідному корпусі, призначення виводів показано нижче.


Внутрішній устрій мікросхеми має приблизно такий вигляд. Точніше, саме так він і виглядає, а приблизний вигляд буде пізніше.


Щоб трохи пояснити, що таке ШІМ-контролер, а точніше показати його основні вузли, я накреслив ось таку структурну схему (художник із мене ще той).
Для початку — нумерація вузлів.
1. Стабілізатор живлення. На основній структурній схемі його не показано, але іноді він є
Живить усі внутрішні вузли. Іноді має режим запуску з наднизьким споживанням потужності — це корисно для ШІМ-контролерів, які встановлюють на «високій» стороні БЖ. Такий режим дає змогу спочатку зарядити конденсатор живлення мікросхеми, потім запустити її, а далі живити вже від окремої обмотки трансформатора (а іноді й без неї).
2. ДОН, він же — джерело опорної напруги.
Цей стабілізатор має високу точність підтримання напруги. Він є «точкою відліку» під час вимірювання вхідної напруги.
У TL494 його перевіряють насамперед (якщо мікросхема ще не в короткому замиканні): у нормальному режимі на виході маємо 5 В. Якщо на вході мікросхеми є живлення, а на цьому виводі напруги немає, то мікросхема несправна.
Також напруга ДОН часто є пороговою напругою на вході підсилювача похибки.
3. Задавальний генератор. Іноді він має зовнішні часовизадавальні кола, іноді — внутрішні. Якщо кола зовнішні, частоту можна задавати в широких межах; якщо внутрішні — частота або фіксована, або можна вибрати одне з 2–3 значень. Він задає частоту роботи перетворювача.
4. Підсилювачі похибки. У TL494 їх два: один використовується для вимірювання напруги, другий — струму. Але найчастіше підсилювач похибки один, та це не означає, що не можна контролювати і струм, і напругу: просто для цього доведеться зробити пару зовнішніх кіл і звести їх обидва на цей вхід (так зроблено в багатьох перетворювачах зі стабілізацією струму й напруги). До речі, якщо подати на цей вхід напругу, що трохи перевищує опорну, можна взагалі вимкнути перетворювач. Іноді це зручно, якщо немає спеціального виводу для керування ввімкненням і вимкненням.
5. Коло підсилювача формувача «мертвого часу». У деяких контролерах можна регулювати паузу між вихідними сигналами, або, інакше кажучи, максимальну ширину сигналу у %. Це може бути потрібно для захисту вихідних транзисторів від виходу з ладу, щоб не сталося так, що один ще не закрився, а другий уже відкривається.
Також цей вхід часто використовують для плавного запуску, підключаючи до нього конденсатор.
6. Схема керування. Умовно кажучи, синхронізує роботу генератора й підсилювачів похибки.
Напруга на виході підсилювача похибки може змінюватися кілька разів за один такт, і щоб не було «дребезгу», схема не дає сформувати ще один керувальний імпульс до наступного тактового сигналу.
Виглядає це так: схема керування вмикає подавання сигналу керування на вихідний транзистор, напруга на вході підсилювача перевищує напругу ДОН, схема керування вимикає силовий транзистор і не вмикає його до наступного такту генератора, а потім усе повторюється.
Власне, це і є сам принцип роботи ШІМ.
7. Мікросхеми, здатні працювати у два такти (та сама TL494), мають і тригер, який почергово керує транзисторами. Тобто спочатку обробляє ширину імпульсу одного транзистора, потім другого тощо.
TL494 дає змогу перевести вихід у режим однотактного керування. При цьому роботу тригера блокується, а виходи працюють синхронно. Це потрібно для однотактних блоків живлення або DC-DC-перетворювачів, зокрема Step-down чи Step-up.
До речі, вбудовані в TL494 транзистори дають змогу зробити малопотужний перетворювач без зовнішніх транзисторів. Характеристики в них, звісно, не дуже, та й зараз повно мікросхем із потужними вбудованими транзисторами, але багато років тому це було корисно.


Звісно, мікросхема давно морально застаріла: сучасні рішення кращі, швидші (можуть працювати на вищих частотах), мають можливість запуску з мікроспоживанням, вбудовані силові транзистори, вміють вимірювати струм тощо.
Але TL494 виробляли, виробляють і вироблятимуть, і цей блок живлення — яскраве тому підтвердження.
Звісно, хочеться чогось сучаснішого, але зазвичай це або обратноходові БЖ, або дорожчі брендові рішення. А в дешевому сегменті поки що панує TL494.

Перечитав написане й розумію, що виклав усе кострубато, але, на жаль, я не викладач і не маю 1,5 години на лекцію — це лише невеликий огляд, у якому хочеться і товар показати, і протестувати його, і трохи розповісти про те, як він працює.
Як умістити опис у невелику кількість тексту, я поки що не знаю, але, можливо, додаватиму інформацію в міру виходу нових оглядів (якщо надсилатимуть товари на розтерзання), або підготую великий огляд — не знаю, що краще.
-----

Наприкінці огляду я виміряв ємність вхідного та вихідних електролітичних конденсаторів.
Вхідний показав ємність 448 мкФ за заявлених 680. Та сама картина, що й у БЖ на 360 Вт, але тут така ємність цілком допустима, оскільки при послідовному з'єднанні виходить близько 225 мкФ. А для 240 Вт вважається добре, якщо є 240. Загалом без запасу, але й не зовсім мало.
Вихідні конденсатори також безіменні — три штуки по 1000 мкФ, 63 В.
До ємності й напруги претензій немає: 3000 мкФ для 5 А цілком нормально (двотактному БЖ достатньо меншої ємності), 63 В — також із запасом, ставити на більшу напругу немає сенсу.

У минулому огляді поставили під сумнів методику вимірювання конденсаторів, упаяних у плату. Щоб надалі не повертатися до цього питання, я виміряв ємність і випаяних конденсаторів. Як видно на фото, різниці немає. Точніше, вона в межах похибки вимірювання.


Перед початком випробувань я все-таки трохи зглянувся й доопрацював БЖ (шкода деталей, які не винні, що складальник ідіот економіст).
Вище я писав, що вихідний діод притиснутий із перекосом. Причина — неправильна притискна планка; найімовірніше, вона розрахована на компоненти в корпусі TO-220 (розмір стандартної КРЕНки), а корпус TO-247 трохи товщий — от і вийшов перекіс.
Є два варіанти переробки.
1. Підкласти шматочок текстоліту
2. Просвердлити отвір у корпусі й притиснути діодний міст гвинтиком.
На фото видно, що я вибрав перший варіант як найпростіший.


Для тестування БЖ я підготував уже звичний багатьом тестовий стенд, що складається з:
1. Електронне навантаження
2. Осцилограф.
3. Мультиметр
4. Безконтактний термометр
5. Кабель живлення та дроти для підключення навантаження.
6. Папірець і дуже дорога професійна ручка :))))

Електронне навантаження створювало відповідне навантаження, перетворюючи все отримане на тепло (і шум), мультиметр вимірював вихідну напругу БЖ, осцилограф стежив за пульсаціями, термометр вимірював температуру компонентів, а ручка все записувала :)


Коментувати основні етапи тесту не буду: усе видно на фото й осцилограмах. Скажу лише, що напруга весь час трималася рівно на 47,9, а пульсації не перевищували 25–30 мВ.

1. Холостий хід
2. Навантаження 1 А.


1. Навантаження 2 А
2. Навантаження 3 А


1. Навантаження 4 А
2. Навантаження 5 А


Оскільки блок живлення поводився цілком пристойно (чим мене трохи здивував — я очікував гіршого), я продовжив випробування.
1. Навантаження 6 А
2. Далі я збільшував струм уже кроком 0.5 Ампера, тож 6.5 А


Але й на цьому я не зупинився, адже БЖ уперто продовжував працювати, порушивши деякі мої плани й подовживши час випробувань.
1. Я додатково прогнав його 10 хвилин під струмом 7 Ампер. БЖ працював, щоправда, пульсації дещо зросли (до 50мВ), але все одно залишалися цілком нормальними.
2. Наприкінці я не витримав і запустив БЖ під струмом 7.5 Ампера, але було відчуття, що він просто знущається з мене. У мене почало перегріватися навантаження (на останніх фото видно, що воно працює без верхньої кришки), і я зупинив випробування.


Що можу сказати: БЖ пройшов випробування, причому на відмінно — таке в мене буває рідко.
А з огляду на те, що це не бренд, на виході стоять безіменні конденсатори, а на вході взагалі покусані, то навіть не знаю, що й думати.

Звісно, результати вимірювання температури не бездоганні: є певні нюанси, але загалом усе непогано.
Трохи про нюанси.
За результатами видно перегрів вихідного дроселя, але насправді хвилюватися треба не за нього, адже це не ферит, і його максимальна робоча температура становить 200 градусів (і це перегрів не матеріалу, а оболонки).
Тоді як температуру феритового осердя трансформатора небажано піднімати вище 100-110 градусів. За вищої температури його характеристики різко погіршуються, і умовно він зі 100-ватного перетворюється на 20-ватний. У результаті перевантажується інвертор, далі — «бах» і похід до магазину по нові транзистори.
Психологічною межею температури напівпровідників я також вважаю приблизно 100-110 градусів. Вони можуть працювати й за вищої температури (до 125 точно), але надійність знижується.

Отже, табличка.
За струму 7 Ампер випробування тривало 10 хвилин, за струму 7.5 Ампера температуру не вимірювали, оскільки випробування було короткочасним.
Загальний час випробування становив 2 години 10 хвилин.


Підсумок
Переваги
Блок живлення видав потужність, вищу за заявлену
Тепловий режим роботи в нормі
Чудовий рівень пульсацій
Наявність нормального вхідного фільтра на 220 Вольт
Чудова стабільність вихідної напруги
Захист від КЗ спрацьовує добре.
Добра ремонтопридатність

Недоліки
Конденсатори вхідного фільтра мають підозріле походження
Низька якість вихідних конденсаторів
Кріплення вихідної діодної збірки обов’язково потребує доопрацювання.
Сильне нагрівання навантажувального резистора, бажано замінити.

Моя думка. Цього разу я на роздоріжжі. З одного боку — вхідні й вихідні конденсатори незрозумілого походження, погано притиснута вихідна діодна збірка, резистор і дросель, що нагріваються. З іншого — результати випробувань, які показали значну здатність витримувати перевантаження, дуже низькі пульсації та високу стабільність вихідної напруги навіть за граничних струмів.
На позитивній шальці терезів також стійкість до КЗ (я випадково кілька хвилин намагався запустити БЖ із закороченим виходом), напівпровідники із запасом і цілком прийнятна ціна.

Купив би я такий БЖ? Так. Але замінив би вихідні електролітичні конденсатори на Samwha RD серії, відсунув би від них навантажувальний резистор і вихідний дросель, перевірив би притиск діодної збірки й користувався. Після такого доопрацювання я отримав би цілком непоганий БЖ за розумні гроші.
Альтернативний варіант — купити БЖ Mean Well серії NES, але в нас він коштує у 1,5 раза дорожче, і це модель на 150 Ватт, а не 240.

Сподіваюся, інформація була корисною, а огляд — цікавим. Як завжди, чекаю на побажання й запитання в коментарях.


Товар надано магазином для написання огляду.