Блок живлення 12 В 3 А для систем контролю доступу

Останнім часом чимало моїх оглядів починаються словами: «Деякий час тому я публікував огляд...»
Цього разу все так само: у мене вже був огляд блока живлення для СКУД, але тоді це був варіант на 12 Вольт, 5 Ампер із функцією джерела безперебійного живлення, а цього разу — спрощений варіант.
Утім, докладніше можна дізнатися безпосередньо з огляду.


Для початку кілька слів про те, навіщо потрібен такий хитрий блок живлення і чому у вступі була абревіатура СКУД.
Багато хто, мабуть, бачив двері з електронними замками — у під’їздах, офісах, приватних будинках тощо. У найпростішому вигляді така система складається із замка (електромагнітного або електромеханічного), контролера, зчитувача (ТМ, RFID, дактилоскопічного тощо) і блока живлення.
Разом вони утворюють СКУД — Систему контролю та управління доступом. До такої системи також можна під’єднати вихід домофона, щоб за його командою замок розблоковувався.

Кілька слів про замки і про те, чому одні блоки живлення мають функцію джерела безперебійного живлення, а інші — ні.
Якщо ви використовуєте електромагнітний замок, то для того, щоб він і далі утримував двері за відсутності електрики, потрібне безперебійне живлення. Такий замок можна побачити на дверях під’їзду: зазвичай він розташований угорі або біля ручки й часто прихований.
Електромеханічний замок не потребує постійного живлення, адже, по суті, це звичайна засувка. Часто думають, що електромагніт приводить у дію язичок засувки (хоча такі системи теж існують), але зазвичай усе трохи інакше. Усередині замка прихований механізм, який зводиться, коли ви зачиняєте двері, і залишається зведеним до спрацювання механізму відмикання. Розблокувати його зазвичай можна трьома способами: повернути ключ, натиснути кнопку замка (механічну) або подати зовнішню команду на електромагніт. Загалом є ще й четвертий спосіб — різко й сильно вдарити в районі замка, але спрацьовує він далеко не завжди.
Механізм розблокування зсуває невеликий механізм усередині замка, а далі потужна пружина відводить основну засувку. Щоб повернути все у вихідний стан, треба трохи відчинити двері й знову їх зачинити.

Власне, навіщо я все це написав: минулого разу я показував блок живлення з можливістю під’єднання акумулятора, а сьогодні — спрощену версію, яку я планував нескладно доопрацювати для роботи з акумулятором, але не склалося.

Як і минулого разу, комплект постачається в пакеті, у якому лежить ще один пакет із радіопультами, а також картонна коробка з блоком живлення.


Як і минулого разу, є три варіанти комплектації: з одним, двома або чотирма пультами. Я замовляв варіант із максимальною комплектацією.
1. Блок живлення
2. Чотири радіопульти
3. Приймальна частина радіоканалу
4. Інструкція.


Інструкція двома мовами — китайською та англійською. Є схема підключення, але, як і минулого разу, помилкова. Неправильно вказано підключення замка. На схемі замок під’єднується до контактів реле, а підключати його треба послідовно з контактами, і потрібна перемичка. Якщо треба, намалюю правильну схему.


Іноді виникають ситуації, коли замком потрібно керувати не зі стаціонарного місця. У такому разі використовують радіопульти. Одразу попереджу: таке рішення різко знижує загальну надійність системи щодо захисту від проникнення до закритого приміщення, тому його застосовують лише там, де це не критично.
Думаю, дизайн пультів багатьом знайомий. До речі, точно такі самі пульти були в комплекті з попереднім блоком живлення.


Живлення від однієї батарейки на 12 Вольт.


Передавальна та приймальна частини. Видно місця для перемичок, за допомогою яких задається код пульта. Коди передавача й приймача мають збігатися.


Ось я й перейшов до основної частини огляду — блока живлення.
Цього разу корпус повністю металевий, але використовувати його також можна лише в приміщенні, оскільки захисту від вологи немає.


Зверху вказано короткі характеристики: вхідна напруга 100–260 Вольт, вихідна — 12 Вольт, струм — до 3 Ампер. Також зазначено призначення контактів роз’єму.
Крім того, зверху розташований світлодіод індикації ввімкнення.


Для підключення до мережі виробник просто вивів пару дротів через отвір у корпусі. Добре, що здогадався захистити отвір гумовою вставкою.
З іншого боку розташований роз’єм для підключення зовнішніх пристроїв. Минулого разу був клемник, що менш зручно. Буквально кілька днів тому мав нагоду перемикати плату керування турнікетом із купою непідписаних дротів — згадав про подібні роз’єми.


Знімаємо кришку корпусу: вона прикручена парою невеликих гвинтів. Я сподівався, що кабель живлення під’єднаний усередині за допомогою роз’єму, але, на жаль, його припаяно до плати.


Компонування пристрою дуже щільне, власне, друкована плата забита вщерть. Під час подальших експериментів це мені відгукнулося: щоб замінити один компонент, доводилося випаювати ще якийсь.


З боку входу живлення розташований імпровізований радіатор — рубана алюмінієва пластина, яка, своєю чергою, прилягає до корпусу. Теплопровідної пасти немає.
З іншого боку видно роз’єм для під’єднання приймача ДУ та підлаштувальний резистор, за допомогою якого встановлюється час утримання реле.
Таймер потрібен для роботи з електромагнітними замками: він задає час, протягом якого на замок не подаватиметься живлення. З електромеханічними все набагато простіше — для відмикання їм достатньо короткого імпульсу.


Для подальшого огляду я вийняв плату з корпусу. Під платою є захисна плівка. На мій погляд, цій конструкції явно бракує клеми заземлення. Дивно, що виробник про це не подбав: у попередньому БЖ така клема була.


На вході є повноцінний мережевий фільтр. Я якось знімав серію відеороликів про окремі вузли блоків живлення. На вигляд особливих проблем тут немає: вхідний конденсатор ємністю 33мкФ, блок живлення має потужність 36 Ватт, і для такої потужності та нашої напруги в мережі конденсатор підібрано впритул. Для заявлених 100 Вольт його ємності буде замало.
Цікаво, що попередній блок живлення мав таку саму ємність на вході й був розрахований на 60 Ватт.
На фото видно два сині конденсатори: лівий з’єднує корпус блока живлення з мінусовим виводом вхідного конденсатора, правий — міжобмотковий завадопригнічувальний. Але перший правильного типу — Y2, а другий — звичайний високовольтний. Така схема допускається лише у варіанті із заземленням корпусу, а заземлити його нікуди :(


ШІМ-контролер і вихідна збірка повністю ідентичні тим, що застосовані в блоці живлення на 60 Ватт. Це KA5L0380R, розрахований на 75 Ватт, і YG902C2 зі струмом до 10 Ампер, що дає великий запас для заявлених 36 Ватт і 3 Ампера.
Паяння силових елементів дещо оригінальне: найімовірніше, спочатку плату встановлюють у корпус, потім прикручують елементи до радіатора, а тоді паяють.


Вихідна частина блока живлення також містить дросель, який знижує рівень пульсацій на виході. Це я ще перевірю пізніше.
Зовні теж усе акуратно. До речі, плата не містить SMD-компонентів, усе виконано «по-старому», хоча, як на мене, головне — результат.


1. А от на конденсаторах цього разу заощадили. Минулого разу були фірмові, а тут звичайний нонейм. До того ж вихідні розраховані на 16 Вольт, що в подібних пристроях я вважаю неприпустимим, адже вони мають працювати цілодобово.
2. Вузол керування живленням замка реалізований майже так само, як і в попередньому варіанті, — той самий NE555. Утім, згодом я покажу це на схемі.


Плата двостороння, але зі зворотного боку є лише доріжки. Є захисні прорізи, а також сліди захисного лаку, тож тут у мене теж претензій не було.


Ще під час огляду було зрозуміло, що схема буде схожа на схему попереднього блока живлення. Подальший розбір лише підтвердив це припущення. Схема цього блока живлення приблизно на 95% збігається зі схемою блока живлення на 12 Вольт 5 Ампер.


Оскільки функція безперебійного живлення не підтримується, блок можна розділити на два функціональні вузли.
1. Червоний — блок живлення 12 Вольт 3 Ампера
2. Синій — схема керування реле та таймер затримки відпускання.

Є також деякі косметичні відмінності. Наприклад, у попередньому варіанті було два входи для під’єднання кнопки, а тут залишили лише один. Є відмінності й у первинній частині: наприклад, мінус вхідного конденсатора з’єднаний із корпусом (це до зауваження про відсутність клеми заземлення).


На відміну від попереднього варіанта, модуль приймача встановлюється акуратніше, хоча котушка індуктивності все одно лежить на корпусі реле. Але є й недолік: забули зробити отвір, через який можна вивести антену. У попередньому корпус був частково пластиковий, і це не мало значення, а тут металевий, тому антену доведеться виводити назовні, і більш-менш нормально це можна зробити лише через отвір для підлаштувального резистора.


Плавно переходимо до тестів.
Перше ввімкнення минуло без жодних пригод: засвітився світлодіод, а на виході я отримав заявлені 12 Вольт.


За допомогою підлаштувального резистора можна встановити вихідну напругу в межах від 11.7 до 13.7 Вольта.
Регулювання дуже плавне, і я без особливих труднощів зміг виставити рівно 12.000 Вольта. Насправді це, звісно, не потрібно, і навіть якби на виході було 12.5, нічого страшного не сталося б. Тим паче, що в міру прогрівання напруга зростає: застосовано звичайні, а не прецизійні резистори.


Перевірка точності підтримання напруги під навантаженням — тут також проблем не виявлено, хоча невелике просідання є.


З пульсаціями на виході взагалі все чудово: трохи пробралися мережеві 50Гц за максимального струму, але, знову ж таки, це не критично.
Щуп був у режимі 1:1, роздільна здатність — 50мВ на поділку. Навіть у найгіршому випадку вийшло лише близько 10мВ — це мало, дуже мало.


Тепер подивімося на ККД блока живлення, адже для пристрою, постійно підключеного до мережі, це теж важливо.
У мене вийшло:
1. Холостий хід — 2.2-2.4 Ватта. По суті, власне споживання самого блока живлення.
2. Струм 1 Ампер, потужність 12 Ватт — 69%
3. Струм 2 Ампера, потужність 24 Ватта — 77%
4. Струм 2.5 Ампера, потужність 30 Ватт — 75%
5. Струм 3 Ампера, потужність 35.5 Ватта — 73%

Найвищий ККД вийшов у районі потужності 24 Ватта. За струму навантаження 3 Ампера вихідна напруга просіла, і підсумкова потужність становила 35.5, а не 36 Ватт.


Далі було звичне тестування струмами 1, 2, 3 Ампера з інтервалами у 20 хвилин, після завершення яких я знімав термограми для контролю температури.
1. Режим холостого ходу: видно сильне нагрівання в правій частині. Там розташований навантажувальний резистор опором 330 Ом (як і в попередньому), на ньому розсіюється близько 0.5 Ватта. Навіть коли блок живлення не навантажений, температура резистора сягає 90 градусів. Думаю, так виробник намагався боротися зі свистом, адже в цьому режимі він усе-таки є.
2. Струм 1 Ампер: трансформатор має температуру 55 градусів, а резистор нагрівся майже до 100 — впливає зовнішнє нагрівання.
3. Струм 1 Ампер, але інший ракурс. Тепер видно термістор на вході, і курсор пікової температури змістився до нього: понад 100 градусів — чимало, особливо з огляду на близьке розташування вхідного конденсатора.
4. Струм 2 Ампера: трансформатор нагрівся до 75 градусів, а термістор — до 110. Зрештою, після всіх тестів я відігнув його подалі від вхідного конденсатора: така грілка поруч йому зовсім ні до чого.


Після прогрівання ККД помітно просів за струму 2.5 Ампера і становив уже 67% замість 77%, як було в холодному стані. Але, як виявилося, це був лише «перший дзвіночок».
Причому за струмів 1 і 2 Ампера ККД залишався незмінним.


Думаю, багато моїх читачів знайомі з моєю методикою тестування блоків живлення, коли я ступінчасто підвищую струм і тестую пристрій під цим струмом протягом певного часу. Так я зазвичай визначаю максимальну потужність, яку може видати БЖ без перегрівання.
Вище я показав температури за струму 1 і 2 Ампера, наступним кроком був струм 3 Ампера, що цілком логічно.
Але після підвищення струму до 3 Ампер навантаження вимкнулося через спрацювання захисту від зниження вихідної напруги. Це стало великим сюрпризом, адже зазвичай БЖ без проблем видає заявлений струм, а іноді я доводив вихідну потужність і до 150%.


Гаразд, не проблема, спробуємо визначити поріг вимкнення, тим паче БЖ якраз був «прогрітий», і це краще підходило для експерименту.
Підвищуємо струм навантаження від нуля до 3.5 Ампера з кроком 100мА. За струму 2.8 Ампера вихідна напруга почала знижуватися — це помітно і на графіку, і в таблиці праворуч, де показано результати останніх кроків.


З’ясувавши, що максимальний струм, за якого вихідна напруга не знижується, становить 2.7 Ампера, я виставив 2.5 Ампера й вирішив продовжити тест. Але виникла зовсім непередбачувана проблема. Спершу скажу, що тест довелося примусово зупинити за пів хвилини.


Зупинив, бо було відчуття, що щось перегрівається. Думаю, електронники зрозуміють.
Так і є: температура одного з компонентів сягнула 132 градусів. Нижче — пара термограм, це я «експериментував».
Судячи з розташування місця перегрівання (термограму зміщено відносно фото), я з’ясував, що це діод снабера. Річ у тім, що крім цього діода там більше просто нічому нагріватися.
Снаббер потрібен для поглинання паразитних викидів у первинній обмотці, але частіше нагрівається саме поглинальна частина — RC-ланцюг або супресор, а не діод. Так от, у цьому випадку нагрівався саме діод.


Я спробував охолодити блок живлення, а потім провести тест ще раз, але особливо нічого не змінилося: за струму 3 А швидко починав перегріватися згаданий вище діод, а в прогрітому БЖ те саме починалося вже за струму 2,5 А.


Непряме пояснення я побачив, коли під час тестів поглянув на індикатор вимірювача потужності: БЖ так і залишився підключеним до нього після тесту ККД, що певною мірою й прискорило пошук проблеми.
Два тести, обидва за струму 2,5 А, але перший — до початку нагрівання, другий — після. Годинник на мультиметрі ліворуч показує неправильний час, але дає зрозуміти, що все відбувається в межах однієї хвилини.
Під час запуску споживана з мережі потужність становить 40,4 Вт, але через 20–30 секунд — уже 50 Вт. Тобто фактично БЖ починає споживати близько 10 Вт «на себе». І тут згадаймо про падіння ККД після прогрівання — думаю, це пов’язано.


Проблема очевидна, і мені захотілося спробувати зрозуміти, у чому ж може бути річ. Для початку повернімося на кілька місяців назад, коли я робив огляд БЖ на 12 В і 5 А: тоді в нього все було чудово, і заявлене навантаження він витримував без проблем. Нижче його схема.


А тепер відкриємо схему БЖ, який оглядаємо. Я прибрав те, що не стосується блока живлення, і виділив кольором деякі елементи:
1. Синій — відрізняється від попереднього, але на проблему не впливає.
2. Помаранчевий — підключення змінено, на проблему не впливає.
3. Червоний — відрізняється і вже може впливати на те, що я бачив вище.

Видно, що ключова відмінність — в елементах снаббера в первинному колі та RC-ланцюзі вихідного діода. Причому потужність, що виділяється на першому вузлі, залежить від номіналів другого. Наприклад, якщо збільшити номінал конденсатора, підключеного паралельно до вихідного діода, то ми трохи зменшимо навантаження на снаббер. Але виникне інша проблема: за значного збільшення ємності вихідному транзистору інвертора буде важче. Якщо збільшити її надто сильно, це взагалі може призвести до виходу з ладу — у мене так згорів ШІМ-контролер серії TOP2xx.
Так, ми трохи відволіклися. Виробник зменшив опір резистора у снаббері й збільшив ємність конденсатора в RC-ланцюзі, підключеному паралельно до вихідного діода. Тобто він свідомо намагався боротися з перегріванням снаббера.


Я вирішив не здаватися й узявся за невеликий експеримент. Спочатку випаяв діод снаббера, бо підозрював, що замість «швидкого» поставили звичайний 1N4007, але там виявився цілком нормальний FR107. Про всяк випадок замінив його на звичніший для мене 1N4937. Під час тестів пролунав підозрілий клац, і спочатку я вирішив, що діод тріснув від перегрівання.
Потім я зменшив ємність конденсатора RC-ланцюга вихідного діода до 2,2 нФ, як у попереднього БЖ.
Запустив тест — результати виявилися точно такими самими, як і до експерименту. Але коли БЖ пішов у рознос і я звично зменшив струм навантаження з 3 до 2 А, вихідна напруга просіла ще більше, а потужність на вході не зменшилася.
Висновки: на мій погляд, помилку допустили ще на етапі проєктування, найімовірніше — у розрахунках трансформатора. Приблизно так поводиться блок живлення, коли намагаєшся «розігнати» його, підвищивши вихідну напругу. Альтернативний варіант — неправильне намотування й ослаблений зв’язок між обмотками, але він менш імовірний.
Уже під час написання огляду я подумав, що можна було б замінити трансформатор, але потім вирішив, що доцільність цього прагне до нуля: одна річ — замінити якийсь резистор, і зовсім інша — трансформатор. Крім того, мені не дуже хочеться виконувати роботу розробників, за яку вони отримують зарплату.

Найімовірніше, БЖ спроєктували, припустилися помилки з трансформатором, а партію вже замовили. Зрештою якось її подолали, але не до кінця — і в підсумку занапастили доволі непоганий БЖ.


На цьому огляд можна завершити, але перед підбиттям підсумків скажу, що спочатку я планував зовсім інший огляд. Я хотів додати до цього блока живлення функцію джерела безперебійного живлення — за аналогією з тим, як я зробив у цьому огляді. Річ у тім, що для зазначеної переробки потрібно підняти напругу зі штатних 12 В приблизно до 14,4 В. Нормальний блок живлення зазвичай переживає це без ускладнень: вихідна потужність трохи знизиться, але загалом усе працюватиме нормально.
Але в цьому випадку блок живлення й сам працює на межі, а якщо підняти його вихідну напругу на 20%, буде зовсім погано.
Як варіант, можна трохи домотати вторинну обмотку. До речі, це можна зробити і як доопрацювання для усунення проблем, але така доробка виходить за межі, які я визначив для переробок в оглядах.

Від себе можу сказати, що планую щось придумати і з першим БЖ, і, можливо, з показаним вище, але рішення буде вже зовсім іншим.


Тепер можна підбити підсумки.
Щодо якості складання я б сказав, що радше добре, ніж погано. Усе виконано досить акуратно, хоча конденсатори вхідного й вихідного фільтрів безіменні. Незручний спосіб встановлення радіомодуля, немає отвору для антени. Якщо просунути дріт в отвір для підлаштувального резистора, працює чудово — перевіряв у межах усієї квартири.

Електричні характеристики неоднозначні. Пульсації, регулювання, нагрівання та ККД — на нормальному рівні для такого БЖ, але за струму навантаження до 2 А. За більших струмів, особливо починаючи з 2,5 А, починається справжня чехарда, і за такого струму використовувати його вже не можна, принаймні тривалий час.

Формально це непоганий блок живлення з характеристиками 12 В, 2 А, і його цілком можна використовувати для живлення контролера доступу та замка. Наприклад, електромагнітний замок із навантаженням до 280 кг споживає лише 400 мА, тож навіть з урахуванням споживання контролера запасу більш ніж достатньо — можна спокійно живити ще й пару камер спостереження. З електромеханічним замком усе ще простіше: споживання там велике, але імпульсне.

У такому варіанті застосування є лише два моменти, що викликають зауваження: вихідні конденсатори на 16 В замість 25 В, що може скоротити строк служби. Але якщо міняти, то достатньо замінити лише той, що стоїть перед дроселем фільтра. Хоча з огляду на те, що ємність конденсаторів має невеликий запас, можливо, і штатні прослужать. Також, якщо БЖ не заземлений, треба замінити один із малих високовольтних конденсаторів на конденсатор типу Y.

На цьому все. Сподіваюся, інформація була корисною. Як завжди, буду радий запитанням і просто коментарям.