用于门禁系统的12 V 3 A电源

最近我的不少评测都是这样开头的——前段时间我发布过一篇评测……
这次也完全一样，我之前做过一篇评测门禁电源的评测，只不过那次是带不间断电源功能的12 V、5 A版本，而这次是简化版。
不过，详情还是可以看评测正文。


先简单说说这种特别的电源有什么用，以及为什么前言里会出现“门禁系统”这个缩写。
很多人应该都见过装有电子锁的门，比如楼道、办公室、私人住宅等地方。最简单的系统由锁（电磁锁或电机锁）、控制器、读卡器（TM、RFID、指纹识别等）和电源组成。
它们组合起来就是门禁系统——出入控制系统。此类系统还可以接入楼宇对讲机的输出信号，让锁根据对讲机的指令解锁。

再简单说说锁，以及为什么有些电源带不间断供电功能，有些则没有。
如果使用电磁锁，那么停电时要想让它继续锁住门，就必须有不间断电源。楼道门上就能看到这种锁，通常装在门的最上方或把手附近，而且经常是隐藏式的。
电机锁不需要持续供电，因为它本质上就是一个普通的锁舌。很多人以为电磁铁会驱动锁舌（虽然确实有这种结构），但通常情况稍有不同。锁内藏着一个机构，关门时它会被上紧，并保持在上紧状态，直到开锁机构动作。通常有三种解锁方式：转动钥匙、按下锁上的机械按钮，或者通过外部指令驱动电磁铁。其实还有第四种方式，就是在锁附近猛踹一脚，不过并不是每次都管用。
解锁机构会推动锁内的一个小机构，之后由一根强力弹簧带动主锁舌缩回。要让一切恢复原状，需要把门稍微打开，再重新关上。

说了这么多，其实是因为上次我展示的是一款可以接电池的电源，而今天这款是简化版。我原本打算用简单的方法改造它，让它也能配合电池使用，但最后没能成功。

和上次一样，整套产品装在一个袋子里，里面还有一袋无线遥控器，以及一个装着电源的纸盒。


和上次一样，有三种套装可选，分别配一个、两个或四个遥控器。我买的是配置最高的版本。
1. 电源
2. 四个无线遥控器
3. 无线接收模块
4. 说明书。


说明书有中文和英文两种语言，附有接线图，但和上次一样，图是错的。锁的接法标错了。图中把锁接在继电器触点上，实际上应该与触点串联，还需要一根跳线。需要的话，我可以画一张正确的接线图。


有时需要在固定位置以外的地方控制门锁，这种情况下就会用到无线遥控器。先提醒一句，这种方案会大幅降低系统防止他人闯入封闭空间的整体可靠性，因此只适用于安全性要求不高的场合。
我想很多人都认识这种遥控器的外观。顺便说一下，上次那款电源也附带了完全相同的遥控器。


由一节12 V电池供电。


发射端和接收端。可以看到用于设置遥控器编码的跳线位置。发射器和接收器的编码必须一致。


现在终于说到评测的主体部分了：电源。
这次外壳完全由金属制成，但同样只能在室内使用，因为它没有防潮保护。


顶部标注了简要参数：输入电压100–260 V，输出电压12 V，电流最高3 A。接口各触点的用途也有说明。
此外，顶部还有一个电源指示灯。


为了连接市电，厂家直接从外壳的孔里引出两根导线。好在他们还算想到用橡胶护套保护这个孔。
另一侧是外部设备接口。上次用的是接线端子，没那么方便。 就在几天前，我有幸要给闸机的控制板换线，面对一大堆没有标记的导线时，想起了这种接头。


拆下外壳盖板，它由两颗小螺丝固定。我原本希望电源线是通过接头连接的，可惜它直接焊在了电路板上。


设备内部布局非常紧凑，电路板上几乎塞满了元件。后来做进一步实验时，这给我带来了麻烦：每次要更换一个元件，都得再拆焊另一个元件。


电源输入侧有一个简易散热器，就是一块切割成形的铝板，并贴着外壳。没有涂导热硅脂。
另一侧可以看到遥控接收器接口，以及一个用于调节继电器保持时间的微调电阻。
这个定时器用于配合电磁锁工作，它设定的是锁断电的时长。机电锁就简单得多，只要一个短脉冲就能打开。


为了进一步检查，我把电路板从外壳中取了出来。板子下面有一层保护膜。在我看来，这种设计明显缺少接地端子。奇怪的是，厂家居然没考虑到这一点，上一款电源就有接地端子。


输入端配有完整的电源滤波器。我之前曾经拍过一系列视频，介绍电源的各个功能模块。这里看起来没什么大问题：输入电容容量为33 µF，电源功率为36 W。对于这个功率和我们的市电电压来说，这个电容的容量刚刚够用；如果要适应标称的100 V，容量就不够了。
有意思的是，上一款电源的输入电容容量也一样，却标称功率为60 W。
照片里能看到两只蓝色电容，左边这只连接电源外壳和输入电容的负极，右边这只是绕组间的抑制干扰电容。不过，第一只是正确的Y2型，第二只却只是普通的高压电容。这种电路只有在外壳接地时才允许使用，可这里根本没地方接地 :(


PWM控制器和输出整流组件与60 W电源中使用的完全相同。控制器是KA5L0380R，额定功率75 W；整流器是YG902C2，电流可达10 A。对于标称的36 W和3 A来说，余量相当充足。
功率元件的焊接方式有点特别。很可能是先把电路板装进外壳，再把元件拧到散热器上，最后焊接。


电源的输出部分也有一个电感，用来降低输出纹波，稍后我还会测一下。
外观看起来也很整洁。顺便说一句，电路板上没有SMD元件，所有元件都采用“老派”的方式安装。不过在我看来，结果才是最重要的。


1.这次电容倒是省了成本。上一款用的是品牌电容，这里却是普通的无名产品，而且输出电容的耐压只有16 V。我认为这在此类设备中不可接受，因为它们应该全天候运行。
2.锁具供电控制电路与上一款基本相同，用的也是NE555。不过之后我会在电路图上给大家展示。


电路板是双面板，但背面只有走线。板上有隔离槽，也能看到保护漆的痕迹，所以这方面我也没什么意见。


检查过程中我就看出来，这个电路应该会和上一款电源的电路相似，进一步拆解也证实了这一猜测。这款电源的电路与12 V、5 A电源的电路大约有95%相同。


由于不支持不间断供电功能，因此可以把这台电源分成两个功能模块。
1.红色部分——12 V、3 A电源
2.蓝色部分——继电器控制电路和释放延时定时器。

此外还有一些外观上的差异。例如，上一款有两个按钮接线端，这款只保留了一个。初级侧也有区别，比如输入电容的负极与外壳相连（这也印证了前面提到的缺少接地端子的问题）。


与上一款相比，接收器模块的安装位置更规整了，虽然电感线圈还是压在继电器外壳上。不过也有个缺点：厂家忘了开一个引出天线的孔。 前一款外壳部分采用塑料，这并不重要；但这款是金属外壳，所以必须把天线引到外面。想要做得比较像样，唯一的办法就是利用微调电阻的孔。


接下来开始测试。
第一次通电一切正常，指示灯亮起，输出端也测得标称的12 V。


通过微调电阻，可以将输出电压调节到11.7～13.7 V。
调节过程非常平滑，我没费什么劲就调到了正好12.000 V。其实当然没这个必要，即使输出是12.5 V也不会有什么问题。更何况随着温度升高，电压还会升高；这里用的是普通电阻，而不是精密电阻。


检查带载时的稳压精度，也没发现什么问题，不过确实有轻微的电压下跌。


输出纹波表现相当不错。最大电流时稍微混入了一些50 Hz的电网纹波，不过同样不算严重。
探头设为1:1，垂直分辨率为每格50 mV，即使在最差的情况下，纹波也只有约10 mV，很低，非常低。


接下来看看这台电源的效率。对于一台长期接通的设备来说，这一点也很重要。
测得的数据如下：
1. 空载：2.2～2.4 W，基本上就是电源本身的功耗。
2. 电流1 A，功率12 W：69%
3. 电流2 A，功率24 W：77%
4. 电流2.5 A，功率30 W：75%
5. 电流3 A，功率35.5 W：73%

最高效率出现在约24 W的功率点。负载电流为3 A时，输出电压有所下降，因此最终功率是35.5 W，而不是36 W。


接下来照例以1、2、3 A的电流进行测试，每隔20分钟拍摄一次热成像图，以监控温度。
1. 空载状态下，右侧明显发热。那里有一个330 Ω的负载电阻（和前一款一样），功耗约为0.5 W。即使电源没有带负载，这个电阻的温度也达到了90度。我觉得厂商这么做是为了抑制啸叫，因为这种工作状态下还是能听到啸叫声。
2. 电流1 A，变压器温度为55度，电阻则升到了接近100度，受到周围热量的影响。
3. 电流1 A，换个角度拍摄。现在可以看到位于输入端的热敏电阻，最高温度光标也移到了它那里，超过100度。温度不低，尤其是它离输入电容很近。
4. 电流2 A，变压器升到了75度，热敏电阻则达到110度。所有测试结束后，我把它掰开了一些，让它远离输入电容；旁边放着这么个加热器，对电容可没什么好处。


预热后，电流为2.5 A时的效率明显下降，只有67%，而冷机时是77%。不过后来发现，这还只是“第一个警告信号”。
而在1 A和2 A时，效率仍然保持不变。


我想很多读者都熟悉我测试电源的方法：逐步提高电流，并在每个电流档位下测试一段时间。这样通常可以测出电源在不过热的情况下能输出的最大功率。
前面展示了电流为1 A和2 A时的温度，按理说下一步自然就是3 A。
但把电流提高到3 A后，负载因输出电压过低而触发保护并断开。这让我很意外，因为通常电源都能轻松输出标称电流，有时我甚至会把输出功率推到标称值的150%。


好吧，没关系，我们来测一下保护关断的阈值。正好电源已经“热透了”，更适合做这个实验。
将负载电流从0逐步提高到3.5 A，每次增加100 mA。电流达到2.8 A时，输出电压开始下降；从曲线和右侧表格都能看出来，表格显示的是最后几步的结果。


确认输出电压不会下降的最大电流是2.7 A后，我设为2.5 A，打算继续测试。没想到又冒出了一个完全意料之外的问题。先说结论：测试进行到半分钟时，我不得不强行停止。


之所以停下来，是因为感觉有东西过热了，懂电子的人应该明白这种感觉。
果然如此，其中一个元件的温度达到了132度。下面是两张热成像图，这是我在“做实验”。
根据过热位置（热成像图相对于照片有偏移），我确认过热的是吸收电路中的二极管。 问题在于，除了这只二极管，那里根本没有别的东西会发热。
吸收电路是用来吸收初级绕组中的寄生尖峰的，但通常发热的是吸收部分本身，也就是RC电路或瞬态抑制器，而不是二极管。可这次发热的偏偏就是二极管。


我试着先让电源冷却下来，再重新测试，但情况并没有明显变化：电流达到3 A时，上面这只二极管很快就开始过热；电源预热后，电流只要达到2.5 A就会出现同样的问题。


测试过程中，我看了一眼功率计的显示，才间接找到了问题的线索。做完效率测试后，电源一直连在功率计上，这也在一定程度上加快了排查进度。
两次测试的电流都是2.5 A，第一次是在开始发热之前，第二次是在发热之后。左边万用表上的时钟显示不准，不过足以看出两次测试都发生在一分钟之内。
启动时，从电网吸收的功率是40.4 W，但20～30秒后就变成了50 W。也就是说，实际上电源开始额外消耗约10 W。我想，这和前面提到的预热后效率下降有关。


问题显而易见，我也想弄清楚到底是怎么回事。先回到几个月前，当时我评测了一款12 V、5 A电源，它表现一直很好，带动标称负载毫无问题。下面是它的电路图。


现在打开这款被评测电源的电路图。我删掉了与电源无关的部分，并用颜色标出了几个元件：
1. 蓝色——与前一款不同，但不影响这个问题。
2. 橙色——连接方式有所改变，但不影响这个问题。
3. 红色——有所不同，而且可能会导致我前面看到的现象。

可以看到，关键区别在于初级侧吸收电路的元件，以及输出二极管并联的RC电路。第一个节点上的耗散功率取决于第二个节点的参数。比如，增大并联在输出二极管两端的电容值，就能稍微减轻吸收电路的负担。但这会带来另一个问题：电容值大幅增加后，逆变器的输出晶体管就要承受更大的压力。如果增加得太多，甚至可能导致器件损坏；我就曾因此烧毁过TOP2xx系列PWM控制器。
说着说着有点跑题了。制造商减小了吸收电路中电阻的阻值，同时增大了输出二极管并联RC电路中的电容值。也就是说，他们是有意在解决吸收电路过热的问题。


我决定不放弃，做了个小实验。首先拆下吸收电路中的二极管，因为我怀疑他们用普通的1N4007代替了“快恢复”二极管，但拆下来的是一只完全正常的FR107。保险起见，我把它换成了我更熟悉的1N4937。测试过程中突然传来一声可疑的啪响，我起初以为是二极管过热开裂了。
接着，我把输出二极管RC电路中的电容减小到2.2 nF，和前一款电源一样。
开始测试后，结果和实验前完全一样。但电源开始失控时，我照常把负载电流从3 A降到2 A，输出电压却进一步下降，而输入功率没有降低。
我的结论是，问题很可能出在设计阶段，而且多半是变压器计算出了差错。试图通过提高输出电压来“超频”电源时，通常也会出现类似的表现。另一种可能是绕线不正确，导致绕组间耦合减弱，不过这种可能性较小。
写评测时，我想到可以换掉变压器，但后来觉得这么做实在不划算：换个电阻是一回事，换变压器则完全是另一回事。此外，我也不太想替开发人员干活，毕竟他们是拿工资的。

很可能是电源设计完成后，变压器出了岔子，而这批货已经下单了。最后他们总算想办法解决了一部分问题，但终究没能彻底解决，结果毁掉了一款本来相当不错的电源。


评测到这里本来就可以结束了，不过在总结之前我想说，最初计划写的内容完全不是这样。我原本打算给这款电源加上UPS功能，就像我在这篇评测里做的那样。问题在于，这项改装需要把电压从原厂的12 V提高到大约14.4 V。 正常的电源一般都能轻松应对这种情况，输出功率会略有下降，但其他方面都能正常工作。
不过这款电源本身工作起来就已经很吃力了，再把输出电压提高20%，情况就会很糟。
一种办法是给次级绕组稍微加绕几圈。顺便说，这也可以作为一项改进，用来解决这些问题；但这项改动超出了我为评测改装设定的范围。

我个人打算想办法处理一下，既包括第一款电源，也可能包括上面展示的这款，不过解决方案会完全不同。


现在可以总结一下了。
从做工来看，我觉得优点多于缺点。整体做得相当规整，不过输入和输出滤波电容都没有品牌标识。无线模块的安装方式不太方便，而且没有天线孔。把导线从微调电阻的孔里伸出去，效果倒是很好，我在整套公寓范围内都测试过。

电气性能则不太好评价。纹波、调节性能、温升和效率，对于这类电源来说都算正常，但前提是负载电流不超过2 A。电流再大，尤其是从2.5 A开始，就会出现一连串问题，这种情况下已经不能使用，至少不能长时间使用。

所以严格来说，这是一款还不错的电源，但规格应当是12 V、2 A，用来给门禁控制器和门锁供电完全够用。例如，承重能力达280 kg的电磁锁只消耗400 mA，即使再加上控制器的功耗也绰绰有余，还能轻松再带两台监控摄像头。使用电机锁就更简单了，它的功耗虽然较大，但只是脉冲式的。

这种用途下，只有两处值得注意：输出电容的耐压是16 V，而不是25 V，可能会缩短使用寿命。不过要更换的话，只需换掉滤波电感前面的那只。考虑到电容容量本身留有一定余量，原装电容也可能够用。另外，如果电源没有接地，就需要把其中一只小型高压电容换成Y电容。

就到这里了，希望这些信息对你有帮助。和往常一样，欢迎提问，也欢迎留言。