Блок питания 24 В 600 Вт: обзор, доработка и ремонт.

В данном обзоре будет рассмотрен блок питания 24 В 600 W и выполнена его доработка с целью снижения шума, создаваемого вентилятором охлаждения. Также пойдет речь о серьезном минусе «народной» термопасты GD900 с Али, который может привести к полному сгоранию устройства.

Содержание

Предыстория
Общий вид
Внутренности
Тестирование
Выходные пульсации
Снижение шума вентилятора
Ремонт БП или причем тут термопаста
Выводы

Предыстория

Некоторое время назад мне понадобился блок питания на 24 В мощностью 150 – 200 Вт. Посмотрев на Али цены на такие блоки ($19 — $20) и на блоки питания большей мощности ($30 за обозреваемый на 600 Вт) захотелось решить сразу две задачи — доплатить $10, купить БП на 600 Вт, сделать его максимально тихим и поставить в 3D-принтер, а БП оттуда (360 Вт) использовать для своего проекта. Тем более, штатный БП в принтере работает практически на максимальной мощности, что может негативно сказаться на его долговечности, а у обозреваемого будет весьма приличный запас.

Общий вид

По приведенной ссылке блок питания можно купить с доставкой с российского склада, которая в моем случае заняла ровно неделю. Доставка выполняется компанией IML, посылку приносит по указанному адресу курьер, что будет весьма удобно, если у вас есть кто-то дома в рабочее время. Блок питания приходит упакованным в картонную коробку точно по размеру, которая, в свою очередь, упакована во внешнюю коробку побольше с использованием небольшого количества вспененного уплотнителя. К сожалению, фотографии коробки и внешние фото БП были случайно удалены в процессе написания обзора, поэтому добавлю фотографии БП от продавца, т.к. они полностью соответствуют тому, что я получил:



Размеры БП представлены на рисунке и составляют 113х215х50 мм. Корпус сделан, скорее всего, из дюралюминия, толщина стенок – около 1.8 мм. Крышка несколько тоньше, но все еще достаточной толщины – корпус на ощупь кажется весьма прочным, никаких намеков на прогиб нет. На корпусе есть «гарантийная пломба» в виде наклейки, которая порвется при снятии крышки. На ней также отмечена дата производства, в моем случае это оказалась середина 2021 года. Сама крышка держится на 6-ти винтах М3, расположенных с трех боковых сторон блока. Электрически корпус соединен с контактом заземления. Контакты у БП следующие:



Слева расположены три клеммы, соединенные с плюсом выхода, затем три клеммы, соединенные с минусом выхода, затем клемма подключения заземления (соединена с корпусом), клемма подключения нулевого провода сети (N = Neutral) и, наконец, последняя клемма – для подключения фазы (L = Line). Субъективно клеммы имеют хорошее качество исполнения, проблем с зажатием проводников в них нет. Слева от контактных клемм расположен подстроечный резистор регулировки выходного напряжения (под маленькую крестовую отвертку, регулировка обещается ±10%) и светодиод индикации работы синего цвета.

Отдельная маркировка нулевого и фазового контактов БП делается потому, что внутри БП по линии фазового провода обычно стоит предохранитель. Поэтому, если соблюдать указанную «полярность», при возникновении неисправности и перегорании предохранителя БП будет полностью обесточен. При подключении же «наоборот» вся высоковольтная часть БП останется связанной с фазовым проводом, то есть, под напряжением, что хуже с точки зрения безопасности. Однако, забегая вперед, скажу, что конкретно в данном БП предохранитель стоит в цепи нулевого провода (!), что, скорее всего, является ошибкой проектирования печатной платы. Или же просто используется корпус от другой модели. В любом случае, не стоит относиться к этим обозначениям как к требованиям, лучше обзавестись в квартирном щитке УЗО или АВДТ, это обеспечит намного большую безопасность, чем подбор фазы и нуля при подключении БП.



Сбоку на корпусе БП есть переключатель 110/220 В, позволяющий выбрать напряжение сети. Он действительно работает и в положении «110 В» переключает входной диодный мост в режим удвоителя напряжения. Однако, ёмкость входных конденсаторов он не увеличивает (а её и так не хватает), поэтому нормальная работа блока от напряжения 110 В на большой мощности остается под вопросом.



С другого бока на корпусе присутствует этикетка с названием модели и основными параметрами БП. Изначально она наклеена таким образом, что мешает откручиванию выходных диодов, поэтому при разборке БП её пришлось перенести. На фото она уже после переноса, поэтому немного пострадала.



Снизу БП запрессованы втулки для крепления его к корпусу устройства. Втулки имеют ограничение по глубине, что предотвращает повреждение блока слишком глубоким закручиванием туда резьбовых изделий, что, на мой взгляд, хорошо. Расстояние между крайними втулками составляет 95 мм по ширине и 178 мм по длине блока. Резьба – М3. Также имеются и дополнительные отверстия с резьбой, расположенные ближе к центру, но в них ограничительных втулок уже нет.

На крышке корпуса расположен вентилятор активного охлаждения размером 60 мм, рассчитанный на напряжение 12 В и ток 0.1 А. Сам по себе, вентилятор достаточно шумный и, несмотря на надпись на крышке, что скорость его вращения управляется блоком, всегда работает на максимальных оборотах (но это мы позже исправим).

Итого, общее впечатление от корпуса и его конструкции – хорошее.

Внутренности

Теперь перейдем к «начинке». Если сорвать гарантийную пломбу, внутри нас ждет такая плата синего цвета:



На фото плата уже вытащена, а полупроводники сняты с радиаторов, но изначально она была прикручена к корпусу пятью винтами М3. Два выходных диода и два ключевых транзистора были установлены на изоляционную прокладку из теплопроводящей резины и прижаты к достаточно толстым алюминиевым теплораспределительным пластинам с помощью Г-образных креплений. Сами пластины, в свою очередь, уже прикручены к корпусу. К методу крепления замечаний никаких, полупроводники прижаты плотно и равномерно. Обычно при использовании теплопроводящей резины не требуется нанесение термопасты, т.к. сама резина за счет своей эластичности прилегает к корпусу равномерно. Однако, китайцы в данном случае пасту почему-то нанесли. Смыть её можно, например, с помощью изопропилового спирта. В некоторых местах (в основном, детали высоковольтной части) плата частично залита лаком. Обратите внимание на надпись «PTA-500W.V03». Очевидно, плата разрабатывалась для мощности 500 Вт. До 600 Вт плату, скорее всего, «разогнали». Долговременно БП вряд ли сможет выдавать такую мощность.

С нижней стороны плата выглядит следующим образом:



Хорошо видно, что плата отмыта не до конца, однако прямых следов флюса нет, только разводы. Дополнительно радует полное отсутствие здесь деталей – они расположены только на верхней её стороне.

Рассмотрим схемное исполнение БП. dens17 в комментарии справедливо обратил внимание на то, что непосредственно на входе данного БП установлен варистор. Это серьезная схематическая ошибка, т.к. варистор – это, по сути, защита от перенапряжения. Идея такой защиты заключается в том, что в случае возникновения перенапряжения, варистор просто начинает проводить ток, гася перенапряжение «на себе». Поэтому, варистор в БП должен быть установлен ТОЛЬКО после предохранителя, чтобы в случае «пробоя» варистора от большого перенапряжения было чему безопасно перегорать. В данном БП, скорее всего, сгорит (в реальности – взорвется) сам варистор, после чего никакой защиты на входе не останется. Можно перепаять данный варистор так, чтобы он был подключен после предохранителя, однако, наиболее простым решением будет просто его выкусить и забыть. А для обеспечения защиты от перенапряжения не только БП, но и всей электроники квартиры, на её вход стоит установить УЗМ-51М или нечто подобное.

Далее на входе БП установлен предохранитель и два NTC-резистора для снижения зарядного тока конденсаторов при включении. Предохранитель, как уже было отмечено, по какой-то причине установлен в цепи «нулевого» провода. Затем идет полноценный фильтр от помех с дросселем и двумя Х-конденсаторами, а также полный «набор» Y-конденсаторов. Диодный мост установлен на небольшой радиатор, что хорошо, т.к. через него в данном блоке идет приличный ток, и он значительно нагревается. Если посмотреть на корпус, то видно, что напротив диодного моста в корпусе есть вентиляционные пазы, что тоже весьма неплохо, т.к. вентилятор активного охлаждения будет протягивать через них воздух и, таким образом, охлаждать диодный мост.

После диодного моста идет переключатель 110/220 В и два входных конденсатора 250 В 680 мкФ:



Т.к. конденсаторы соединены последовательно, их итоговая емкость будет 340 мкФ, что маловато для заявленных 600 Вт (здесь можно ориентироваться на эмпирическое правило «1 мкФ на 1 Вт выходной мощности», однако, на деле все зависит от схемотехники и требований к БП). В реальности ситуация еще хуже, и конденсаторы имеют общую емкость только 240 мкФ, что уже совсем мало для 600 Вт. Параллельно конденсаторам включены цепочки разрядных резисторов сопротивлением 200 КОм. Дополнительного пленочного конденсатора, облегчающего работу основных электролитов на высоких частотах нет, однако на плате достаточно места, чтобы его самостоятельно установить.

Преобразователь БП выполнен по топологии «прямоход» и схеме «косой мост». Упрощенно данная схема представлена на рисунке:



Принцип работы следующий: в начале каждого такта оба ключевых транзистора открываются одновременно, подключая первичную обмотку трансформатора к напряжению питания. В этот момент во вторичной обмотке возникает напряжение, которое открывает диод D1 и поступает (через сглаживающий дроссель L1) в нагрузку. Пока транзисторы открыты, ток первичной обмотки линейно растет и намагничивает сердечник. Когда ШИМ-контроллер закрывает транзисторы (оба сразу), напряжение на обмотках резко меняет полярность, диод D1 закрывается, и прямая передача энергии в нагрузку прекращается. Пока ключи закрыты, нагрузка питается энергией, запасенной в L1 и C2. В это же время в первичной части БП открываются диоды Da1 и Da2, через которые происходит размагничивание сердечника назад в питающий конденсатор С1. Таким образом, прямых потерь энергии (как, например, на снаббере в обратноходовом преобразователе) нет.

Сам по себе «косой мост» неплох. По эффективности он, конечно, проигрывает LLC, но, тем не менее, позволяет получить большую выходную мощность, и по этой причине применяется во многих сварочных инверторах. К его преимуществам также можно отнести простоту, невысокие требования к трансформатору и обратному напряжению ключей, а также небольшие токи вторичной обмотки, лишь незначительно превышающие рабочие. Основной недостаток схемы (на мой взгляд) – трудность управления верхним транзистором, т.к. на его истоке может быть потенциал питания, то есть, +300 В. В данном БП эту проблему решают «классическим» способом – управление происходит через развязывающий трансформатор. На мой взгляд, это тоже хорошо, т.к. при возникновении неисправности и пробое ключей вся остальная часть схемы останется рабочей, что означает, что данный БП очень ремонтопригоден (забегая вперед, скажу, что это уже успело пригодиться). Еще одно ограничение «косого моста» состоит в том, что D (процент заполнения ШИМ) должен быть менее 50%, иначе сердечник трансформатора не успеет размагнититься за время паузы (т.к. и намагничивание, и размагничивание идет с одной и той же скоростью).

В качестве ключей в БП используются полевые транзисторы IPP60R199CP — 650 В 0.2 Ом 16 A, что весьма неплохо, если, конечно, это не подделка. ШИМ – достаточно известный UC3845B. Обычно он применяется для построения обратноходовых преобразователей, однако, ничто не мешает применить его и в «косом мосте», что мы и видим в данном БП. ШИМ аппаратно ограничивает D на уровне менее 50% (зависит от частотозадающей цепочки), что позволяет быть уверенным в том, что сердечник трансформатора успеет размагнититься.

На высоковольтной стороне платы реализовано два источника питания. Один напряжением около 16 В для питания ШИМ-контроллера, второй напряжением 12 В для питания вентилятора охлаждения. Напомню, что вентилятор тут всегда работает на максимальных оборотах. Зачем, в таком случае, делать отдельный выпрямитель и стабилизатор для питания вентилятора, если можно было бы запитать его от выхода БП? Скорее всего, такое решение выбрано из соображений унификации БП, чтобы использовать одни и те же вентиляторы на рабочее напряжение 12 В независимо от возможного выходного напряжения.

Оба источника питания выполнены по самой простой схеме – стабилитрон и эмиттерный повторитель. В обоих повторителях используются транзисторы BCX56, NPN, 1 A, 100 В, 1 Вт.

Вопреки некоторым отзывам на БП, в нем есть как защита от перегрева, так и защита от КЗ на выходе. Защита от перегрева выполнена на нормально замкнутом термовыключателе на 85 градусов, установленном в креплении выходных диодов. Весьма спорное решение, т.к. диоды связаны с корпусом, то есть, если корпус хорошо охлаждать, температура диодов всегда будет в норме. Чего не скажешь про трансформатор, который охлаждается исключительно потоком воздуха вентилятора и легко может перегреться (особенно, если вентилятор выйдет из строя). Поэтому, одна из доработок данного БП, которую можно сделать, если планируется его эксплуатация на высокой мощности – перенос термовыключателя с диодов на трансформатор (закрепить его там можно высокотемпературным автомобильным герметиком). Кстати, что любопытно, на фото продавца термовыключатель расположен именно на трансформаторе!

При таком переносе следует иметь в виду, что 85 градусов – вполне допустимая температура для трансформатора, поэтому термовыключатель придется заменить на другой, с большей температурой выключения (например, 110-120 градусов). В моем случае планируемая нагрузка будет порядка 330 Вт (3D-принтер потребляет около 14 А), поэтому такой доработки я делать не буду. Электрически термовыключатель разрывает цепь питания ШИМ-контроллера. Это приведет к полному выключению блока.

Защита от КЗ реализована двумя способами. Во-первых, в цепи истока нижнего ключа включен резистор сопротивлением 0.12 Ом, напряжение с которого подается на специальный вход ШИМ-контроллера. При повышении этого напряжения до 1 В ШИМ будет автоматически закрывать ключи. Это ограничит ток в первичной обмотке на уровне около 8.33 А, что в первом приближении ограничивает максимальную мощность до 650 — 700 Вт. Во-вторых, на плате есть дополнительная цепь обратной связи (через отдельный оптрон) – если напряжение на выходе упадет ниже определенного значения и продержится таким некоторое время (около секунды), ШИМ отключится. В итоге, защита БП получилась «мягкой» — он нормально выдерживает кратковременные перегрузки по току и позволяет, например, уверенно зажигать лампы накаливания мощностью 500 Вт.

Вторичная цепь БП достаточно стандартна – диодные сборки, дроссель, конденсаторы и цепь обратной связи через оптрон. Что тут бросилось в глаза, так это применение конденсаторов весьма малой емкости. На выходе БП стоят 4 конденсатора емкостью 1000 мкФ и напряжением 35 В:



То есть, всего 4000 мкФ, и это для тока 25 А! Казалось бы, нереально мало. Однако, секрет тут кроется в топологии БП – основную стабилизацию выполняет выходной дроссель, а конденсаторы лишь фильтруют относительно небольшие пульсации выходного тока через него. Поэтому, главный их параметр в данной схеме не емкость, а ESR. Примененные имеют маркировку «Low ESR» и само ESR порядка 25 мОм:



В идеале, напряжение пульсаций в такой схеме вообще не должно зависеть от тока нагрузки, но на практике это не так. В следующей части обзора я проведу замену выходных конденсаторов на два разных варианта и расскажу, к чему это привело. Измеренная индуктивность дросселя составила 77 мкГн.

Что можно сказать по схеме и плате БП – в целом, неплохо. Надежный классический вариант. Плата разведена тоже хорошо – расстояния между дорожками входной и выходной части везде большое, пробой практически полностью исключен. Единственный недостаток, который бросился в глаза – достаточно длинные дорожки от ключей до трансформатора. Учитывая высокое напряжение и относительно большой ток, они будут неплохо излучать, создавая помехи как для работы самого БП, так и для внешних устройств. Однако, сам БП работает весьма устойчиво, а внешние устройства от платы отделяет заземленный алюминиевый корпус, так что, скорее всего, тут никаких проблем не будет.

Тестирование

Теперь перейдем непосредственно к тестированию БП. Электронной нагрузки у меня, к сожалению, нет, подходящих резисторов – тоже, поэтому нагружать буду одной и двумя лампами накаливания 30 В 400 Вт:



Если мне не изменяет память, в прошлом веке такие лампы использовались в проекторах. Сейчас, конечно, их вытеснили более современные источники света. Но для нагрузки данного БП они подойдут. При 24 В каждая лампа потребляет около 10.5 А (на самом деле, одна – 10.25 А, другая – 10.7 А), то есть, порядка 250 Вт.

Начнем с выходного напряжения. По умолчанию блок был отрегулирован на 24.08 В. При нагрузке 10.5 А напряжение просело до 23.98 В, а при нагрузке 21 А – до 23.9 В на выходных клеммах, что, на мой взгляд, весьма неплохо. При прогреве БП значительного изменения выходного напряжения зафиксировано не было. Отчасти это потому, что выходные цепи, задающие напряжение блока, находятся достаточно далеко от каких-либо источников сильного нагрева и немного охлаждаются потоком воздуха через вентилятор.

Посмотрим напряжение на вторичной обмотке трансформатора (без нагрузки):



Видно, что частота преобразования БП составляет 83.15 КГц (период импульса 12 мкс), а коэффициент заполнения D – 33%. При таком D напряжение на вторичной обмотке должно быть в три раза больше рабочего, что и зафиксировано на осциллограмме. На первичной обмотке трансформатора в это время было порядка 300 В, из чего можно сделать вывод, что коэффициент трансформации составляет примерно 1:4.

Теперь нагрузим БП на одну лампу (10.25 А) и посмотрим напряжение на резисторе в цепи истока нижнего ключевого транзистора (0.12 Ом):



На осциллограмме видно, что D немного подрос и составляет теперь 36%. Это связано с небольшой просадкой мгновенного напряжения на входном конденсаторе под нагрузкой в момент снятия осциллограммы. Теоретический подсчет дает 69.4 В на вторичной обмотке и около 280 В на первичной. Также видно, что сразу после открытия ключей ток через трансформатор возрастает до 2.25 А (9 А во вторичной обмотке), а к концу импульса повышается до 3.64 А, но тут уже часть тока приходится на саму первичную обмотку. Проведем небольшой теоретический подсчет. Так как выходной ток БП 10.25 А, начальный ток через дроссель – 9 А, максимальный ток через дроссель (в конце импульса) составит 11.5 А (увеличение тока на 2.5 А). Это соответствует току 2.86 А в первичной обмотке. Значит, треугольный ток первичной обмотки составляет 0.77 А.

Что это нам дает? Ну, прежде всего, дельта тока в дросселе 2.5 А говорит о том, что на режим неразрывных токов он выйдет при токе нагрузки от 1.25 А. Для БП рассчитанного на 20-25 А – это вполне нормальное значение. Ранее я говорил, что ШИМ выключит ключи, если ток через них превысит 8.3 А. Учитывая треугольный ток 0.77 А, это соответствует максимальному току нагрузки порядка 30 А. Можно считать это «током срабатывания защиты». При этом, конечно, никто не гарантирует, что выходное напряжение блока останется на уровне 24 В – из-за весьма малой емкости входных конденсаторов, они просто не справятся с такой нагрузкой и напряжение на них начнет проседать ниже некоторого порога, когда БП уже не сможет обеспечивать 24 В на выходе. Тогда посмотрим, что происходит на входном конденсаторе:



При нагрузке в 10.25 А за полупериод сетевого напряжения на входном конденсаторе напряжение успевает упасть примерно на 28 В, до значения 277 В. А до какого напряжения БП сохранит работоспособность? С помощью ЛАТР было выяснено, что при нагрузке 10.25 А БП в состоянии поддерживать выходное напряжение на заданном уровне до примерно 180 В переменного напряжения на входе. На входном конденсаторе при этом была следующая картина:



То есть, БП сохраняет работоспособность до, примерно, 225 В на входном конденсаторе. Отсюда можно сделать вывод, что емкости входного конденсатора вполне достаточно для выходной мощности 300 Вт и хватит «впритык» для мощности 600 Вт. Снижение емкости конденсаторов от времени или понижение входного напряжения даже на 5% приведет к тому, что БП не сможет выдать на выходе стабильные 24 В при нагрузке 600 Вт.

Выходные пульсации

Теперь рассмотрим выходные пульсации блока. При нагрузке 10.5 А они составляют 29 мВ:



Для напряжения 24 В – это чуть более 0.1%, то есть, вполне нормально. Тем не менее, давайте попробуем их уменьшить. Для этого попробуем увеличить ёмкость выходных конденсаторов – вместо двух (из четырех) конденсаторов 1000 мкФ 35 В впаяем вот такие конденсаторы 4700 мкФ 35 В:



Данные конденсаторы были весьма недорого заказаны на Али некоторое время назад и какими-либо выдающимися характеристиками не отличаются (хотя ёмкость соответствует заявленной), ESR у них примерно 46 мОм:



И что же мы получаем на выходе после замены? Смотрим:



То есть, от увеличения общей ёмкости конденсаторов более чем в два раза выходные пульсации не только не снизились, а даже возросли относительно исходных 29 мВ! Причиной тому является сама топология БП – в таком БП основную стабилизацию выходного напряжения осуществляют не конденсаторы, а дроссель. Конденсаторы лишь «берут на себя» дельту тока дросселя, которая в данном БП составляет 2.5 А. При таком токе даже 4000 мкФ позволяют получить пульсации порядка 2.5 мВ, то есть, в 10 раз ниже того, что есть на самом деле. Отсюда получается, что основной характеристикой конденсаторов для данного вида БП является не ёмкость, а ESR. А вот по сопротивлению данные неизвестные китайские конденсаторы находятся далеко позади тех, что стояли в БП изначально. Это и привело к увеличению пульсаций.

Тогда попробуем установить в БП конденсаторы с меньшим ESR. Дома удалось найти только такие, тоже 4700 мкФ 35 В, но купленные в «Чип и Дип»:



Сразу видно, что размером они раза в два больше китайских, ESR при этом имеют около 17 мОм. Смотрим результат:



Пульсации упали до примерно 22 мВ. Есть ли смысл заменять исходные конденсаторы в данном БП? Да, по сути, нет, т.к. изначально установленные имеют вполне достойные характеристики. Я, конечно, обратно уже менять не буду, все последующие осциллограммы будут сняты с этими конденсаторами. То есть, пульсации оригинального блока будут чуть выше.

Теперь посмотрим пульсации БП на малом токе нагрузки (1.75 А):



Они уменьшились с 22 до 13 мВ. В идеале, при данной топологии пульсации вообще не должны зависеть от тока нагрузки, как только выходной дроссель выйдет на режим неразрывных токов (что происходит при 1.25 А). Однако, в реальности они зависят. Тогда рассмотрим пульсации при токе 21А:



Пульсации возросли до 56 мВ, то есть, более чем в два раза. С оригинальными конденсаторами можно ожидать уровня 70-80 мВ, что тоже (на мой взгляд) еще допустимо при выходном напряжении 24 В. А вот почему пульсации так зависят от тока нагрузки (хотя не должны), я сказать не могу. Может быть, кто-то в комментариях пояснит, буду благодарен.

Теперь рассмотрим нагрев БП. Смотреть будем в двух режимах – 10.25 А со снятой крышкой (то есть, без активного охлаждения вообще) и 21 А с закрытой крышкой в штатном режиме. В первом случае после получаса работы имеем нагрев трансформатора до, примерно, 73 градусов и нагрев дросселя до, примерно, 68 градусов (тепловизор чуть занижает):



Это говорит о том, что с нагрузкой 250 Вт БП способен работать без дополнительного охлаждения вообще и, в принципе, при такой нагрузке вентилятор можно полностью отключить. С нагрузкой 500 Вт картина кардинально меняется – после 15-ти минут работы с закрытой крышкой трансформатор и дроссель были нагреты до, примерно, 100 – 105 градусов, что уже можно считать предельно допустимой температурой (термофото, к сожалению, не сохранилось). Если нагрузить БП на 600 Вт, предположительно, температуры достигнут критических.

Итого – хороший блок, если вы планируете нагружать его ватт на 300. В этом режиме можно работать даже без активного охлаждения. Нормальный блок для нагрузки 350-400 ватт – работать будет, но уже с охлаждением. Максимальной нагрузкой блока я бы посчитал 500 Вт. В этом режиме он еще сможет работать относительно длительное время. Что же касается заявленной мощности в 600 Вт – то выдать кратковременно он её может, но на длительное потребление рассчитывать не стоит. Основное, что ограничивает мощность блока – это трансформатор и выходной дроссель. К сожалению, переделать или заменить их в домашних условиях очень проблематично.

Снижение шума вентилятора

Я решил использовать данный блок в 3D-принтере Anet ET5X, который будет потреблять от него до 14 А. Изначально в принтере стоит БП на 360 Вт, работающий почти на пределе. Насколько ему тяжело так работать – вопрос отдельный, если БП правильно спроектирован и использованы качественные детали, то проблем возникнуть не должно. Однако, мы говорим о неизвестном китайском БП, поэтому, скорее всего, в нем сэкономили на всем, что можно. Это касается и сечения провода обмоток трансформатора (медь стоит денег), поэтому, вероятно, нагревается он прилично.

Обозреваемый, с другой стороны, справляется с мощностью 250 Вт вообще без внешнего охлаждения. С мощностью 360 Вт, скорее всего, тоже справится, тем более, основное потребление в принтере – подогрев стола, а работает он там далеко не 100% времени. То есть, среднее потребление принтера – ватт 200, не больше. Таким образом, в принципе, можно просто исключить вентилятор из данного БП и оставить его работать в таком виде, тем более, защита от перегрева у него есть. Однако, БП в принтере стоит вверх ногами, то есть, теплый воздух будет собираться вверху, «упираться» в плату и оставаться около неё, да и, просто, это – не наш метод. Поэтому сделаем регулятор скорости вращения вентилятора в зависимости от температуры основного элемента импульсного БП – трансформатора.

В самом простом случае для решения задачи можно использовать биполярный транзистор – его коэффициент усиления растет (а напряжение открывания снижается) с увеличением температуры. Поэтому, можно разместить корпус транзистора на трансформаторе, а подстроечным резистором подобрать такое напряжение на базе, чтобы он открывался на достаточном для старта вентилятора уровне только при нужной температуре. Если температура продолжит расти дальше, транзистор откроется сильнее и вентилятор начнет вращаться быстрее. К сожалению, зависимость нарастания оборотов вентилятора от температуры в такой схеме будет определяться лишь коэффициентом усиления транзистора, поэтому подобрать желаемую будет проблематично. Опыт использования данного решения показывает, что обороты вентилятора растут достаточно быстро. То есть, например, мы установили стартовую точку на 60 градусов, тогда при 70-ти вентилятор уже вполне может вращаться на полную. Мне такой результат не очень нравится, поэтому пойдем более контролируемым путем.

Использовать микроконтроллер в данном случае – перебор, поэтому остановимся на аналоговых, но «более правильных» датчиках температуры. Это будет NTC-термистор. NTC означает «Negative Temperature Coefficient», то есть, сопротивление данного термистора будет падать по мере увеличения температуры. В Ч&Д я купил вот такой термистор на 10 КОм:



В документации на него приводится некая температурная кривая, однако, для максимальной точности, я решил снять свою собственную. Сделал я это просто – скрутил термистор и К-термопару изолентой, и полученную скрутку аккуратно опустил в стакан кипятка. По мере остывания воды в стакане я записывал показания температуры и сопротивления термистора. В итоге, получил следующую таблицу:



Из этой таблицы для себя я выбрал две точки – 65 градусов как точку начала вращения вентилятора и 85 градусов как точку достижения вентилятором максимальных оборотов. Это соответствует сопротивлениям термистора примерно 2 КОм и 1 КОм, что хорошо – при таких значениях считать вручную будет проще.

Для управления вентилятором решил максимально использовать компоненты, которые уже есть на плате БП, то есть, транзистор эмиттерного повторителя. Изначально к его базе подключен стабилитрон на 12 В, его я думал зашунтировать подстроечным резистором, а термистор включить в верхнее плечо схемы. Получилось бы что-то такое:



Чем сильнее нагревается термистор, тем ниже его сопротивление, а, значит, выше напряжение на базе транзистора и на вентиляторе. За напряжение старта вращения вентилятора я принял 4 В, поэтому условиями для расчета R1 и R2 стали:

1. При сопротивлении Rt 2 КОм (65 градусов) напряжение на базе должно быть 4.7 В.
2. При сопротивлении Rt 1 КОм (90 градусов) напряжение на базе должно быть 12.7 В.

В результате решения несложной системы из двух линейных уравнений, я получил значения 497 Ом для R2 и -592 Ом для R1. Резисторов с отрицательным сопротивлением у меня в наличии, к сожалению, не оказалось. Не оказалось их и в каталоге Ч&Д, поэтому стало ясно, что данную схему реализовать не удастся. А происходит так потому, что термистор меняет свое сопротивление только в два раза, а вот выходное напряжение при этом должно меняться практически в три раза. То есть, без дополнительного усилителя тут не обойтись. Поэтому, пришлось добавить еще один транзистор и перерисовать схему следующим образом:



Транзистор Q2 выполняет роль инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления 7.5 (отношение коллекторного резистора к эмиттерному), поэтому, чем больше он открыт, тем ниже напряжение на выходе. По этой причине термистор подключается уже в нижнее плечо делителя – при более высокой температуре требуется снижать напряжения на базе Q2, таким образом закрывая его, что приведет к открытию Q1 и подаче большего напряжения на вентилятор. Стабилитрон D1 ограничивает выходное напряжение на уровне 12 В и остается запаянным в плате. Резистор R4 тоже запаян в плате, однако его сопротивление уменьшено до 1.5 КОм (было 3 КОм). Остальные детали были размещены на дополнительной плате, которую пришлось по-быстрому разработать и сделать, используя фотополимерную технологию. Рисунок платы тут не привожу, т.к. плата тривиальная и сильно зависит от типов применяемых деталей (я, например, использовал выводные резисторы, а в качестве сопротивления 13.5 КОм соединил последовательно резисторы на 12 КОм и 1.5 КОм). В итоге получилась вот такая конструкция:



Плата закреплена на толстых контактах, припаянных прямо к выводам стабилитрона D1 на печатной плате БП. Термистор впаян на плату со стороны дорожек и закреплен на корпусе трансформатора каптоновым скотчем с использованием (на тот момент) любимой термопасты GD900. Дополнительно скотч притянут к сердечнику трансформатора ниткой. Отдельный проводок, идущий от платы к коллектору Q1 – это питание +18 вольт. Особенностью конструкции является то, что, если крепление платы каким-либо образом вдруг пострадает и оторвется любой из трех проводов, вентилятор будет, как и раньше, работать на максимальных оборотах. То есть, БП не перегреется, а сильный шум вентилятора будет заметен на слух.

В результате доработки вентилятор перестал вращаться при малых нагрузках, запускаясь и разгоняясь только по мере прогрева трансформатора, что значительно снизило шум БП. В принципе, цель была достигнута. Однако, примененный в БП вентилятор проявил особенность – при малом напряжении, когда он еще не может запуститься (например, 2.5 В), он издает определенный шум, сравнимый с шумом импульсного БП без нагрузки. Этот шум дополнительно усиливается металлическим корпусом, но особо не слышен в работающем принтере и, в принципе, мне никак не мешает. Но, если вы захотите от него избавиться, вам, скорее всего, придется заменить вентилятор.

Ремонт БП или причем тут термопаста

После снижения скорости вращения вентилятора было принято еще одно решение по доработке БП – заменить резиновые теплопроводящие прокладки керамическими из оксида алюминия (Al₂O₃). Дело в том, что при всём своем удобстве, резиновые прокладки обладают весьма посредственной теплопроводностью (емнип, до 1 Вт/(м*К) ), что при толщине в пол миллиметра создает достаточное тепловое сопротивление. Керамика, в свою очередь, обладает теплопроводностью порядка 25 Вт/(м*К), что уже намного лучше. Ну, а если менять прокладку на диодах, почему бы не сменить её и на ключевых транзисторах? Сказано – сделано, и прокладки были заменены на керамику. Под диодами – для корпусов ТО-247, а под транзисторами – для корпусов ТО-220. А чтобы прилегание полупроводников к керамике и самой керамики к теплораспределительной пластине было хорошим, все детали были обильно смазаны термопастой GD900. После этого полупроводники были закреплены на свое место штатными креплениями, а БП – собран и проверен на нагрузке. Изменения были «налицо» — диоды стали передавать тепло корпусу намного лучше, а ключевые транзисторы вообще практически не нагревались.

Теперь о термопасте. Термопаста GD900 заслужено может называться «народной» — при очень невысокой цене (примерно $3.5 за 30 грамм) она обладает весьма неплохой теплопроводностью – 4.8 Вт/(м*К), что примерно в 5 раз лучше нашей любимой КПТ-8. И разницу между этими термопастами вполне реально ощутить в работающем устройстве самому, правда, если применять более теплопроводную керамику из нитрида алюминия (AlN). На Al₂O₃ разница частично нивелируется самой керамикой, однако, при цене в 250 рублей за 30 грамм, почему бы не применять её везде? Электричество она также как и КПТ-8 не проводит, поэтому, по идее, проблем быть не должно.

Но это только по идее. На практике БП нормально прошел все тесты и был установлен в принтер. После нескольких дней тихой работы, при очередном включении вдруг раздался «бабах» и… принтер не включился. Быстрый анализ проблемы выявил сгоревший предохранитель принтера. Дальше последовала немедленная разборка и анализ неисправности. Странно, но неисправности, как таковой, найдено не было – и входная колодка принтера, и БП оказались исправны! То есть, я вытащил БП из принтера, подключил его к тестовому стенду (а там у меня развязывающий трансформатор 220-220), и он прекрасно выдал на выход положенные 24 В под нагрузкой. Предохранитель самого БП остался исправен, внешне также никаких следов повреждения обнаружено не было. Из-за отсутствия каких-либо более реалистичных идей, у меня возникло предположение, что предохранитель не выдержал начального тока зарядки конденсаторов, т.к. изначально в принтере стоял более слабый БП с конденсаторами меньшей емкости.

Что ж, предохранитель был заменен на больший (3 А на 5 А) и тест включения повторен, только теперь уже с полностью открытыми корпусами как принтера, так и БП. Естественно, «бабах» повторился, но теперь уже с выключением УЗО и искрой в районе радиаторов ключевых транзисторов БП. При этом, принтер на секунду запустился и попытался показать стартовый экран! Для справки, предохранитель в самом БП снова остался исправен.

Стало ясно, что проблема именно в каком-то пробое на провод заземления (что вызвало выключение УЗО). Детальный анализ БП уже на рабочем столе показал, что пробой возникал со стока верхнего по схеме ключа на корпус, который соединен с заземлением. Поскольку на стоке верхнего ключа просто постоянно присутствует 300 В со входного конденсатора, данный пробой не приводил к выходу ключевых транзисторов из строя, и БП даже пытался запуститься. А, так как предохранитель в БП стоит по цепи нулевого провода и включение вилки в розетку оказалось «правильным», ток пробоя никогда не проходил через нулевой провод, поэтому предохранитель тоже не сгорал.

Но, каким образом может возникать пробой с корпуса транзистора на корпус БП, если между ними установлена керамическая прокладка толщиной 0.66 мм? Оказалось, что виновата «народная» термопаста GD900. Если измерять её сопротивление обычным тестером, ток она не проводит от слова совсем. Однако, если взять высоковольтный измеритель сопротивления изоляции, картина кардинально меняется. При напряжении 500 В GD900 начинает проводить примерно на расстоянии 1-2 мм! И, как только проводимость установится, увеличение расстояния (я проверял на тонком слое, нанесенном на ровную керамическую прокладку) уже не останавливает проводимость – она продолжает и продолжает проводить ток. Она, как будто, переходит в другое состояние, в котором уже прекрасно проводит ток и при более низком напряжении. То есть, использование её в высоковольтной части БП гарантировано приведет к пробою, ведь те же 500 В штатно присутствуют на стоке ключа Flyback.

При напряжении 5000 В ситуация меняется еще более интересным образом – пробить уже можно спокойно и сантиметр тонкого слоя GD900, нанесенного на керамическую прокладку. При этом, по термопасте бежит разряд, она как будто частично выгорает, а то, что остается после этого – уже прекрасно проводит ток и при более низком напряжении. Я даже подумываю снять видео и выложить это отдельным обзором, настолько меня это поразило.

После такой «находки» мне захотелось проверить и нашу родную КПТ-8. Результат был полностью отрицательным – КПТ-8 не пробивает ни 500 В, ни 5000 В. Разряд происходит по воздуху между электродами, но не через термопасту. То есть, использование КПТ-8 в высоковольтных цепях вполне допустимо.

К сожалению, пока я изучал пробой термопасты в обозреваемом БП, он произошел и на стоке нижнего ключа, что привело к полному выгоранию обоих. На календаре 30 декабря, на часах 21:00, а у меня дома нет совершенно никаких высоковольтных полевых транзисторов, обладающих хотя бы близкими характеристиками. Все, что есть – это старенькие 2SK1507, имеющие сопротивление канала 1 Ом, но это сюда и близко не подходит. К счастью, выручил Ч&Д – он работал 31 декабря, и в локальном магазине оказались в наличии FCP22N60N, имеющие даже более низкое сопротивление канала 0.14 Ом. Делать было нечего, и 31-го утром, когда вся остальная страна варит картошку и режет салаты, я отправился в магазин за новыми транзисторами. Ну, не оставлять же принтер нерабочим на праздник :) Вот так я «попал» на 720 рублей или, практически, еще на $10. Но, как говорится, полученный опыт – бесценен, и хорошо, что все произошло именно так, а не как-нибудь иначе.

К слову, за счет применения развязывающего трансформатора для управления ключами, в БП более ничего не сгорело, обошлось только заменой ключей. Это доказало хорошую ремонтопригодность на практике. Но больше я решил не рисковать даже с КПТ-8 и вернул назад исходную резиновую прокладку. Возможно, за счет более низкого сопротивления канала FCP22N60N или же за счет возможной неоригинальности исходных IPP60R199CP, итоговый нагрев ключевых транзисторов снизился еще, и теперь они были еле теплые при нагрузке 250 Вт. После замены блок питания был собран, установлен в принтер, и, надеюсь, более вытаскиваться оттуда не будет.

Выводы

Блок питания, в целом, понравился. К плюсам можно отнести:

• невысокую цену;
• качественный корпус;
• хорошую стабильность выходного напряжения;
• относительно невысокие выходные пульсации (в пределах 100 мВ на максимальной нагрузке), достаточно качественные конденсаторы с низким ESR на выходе;
• простоту схемного решения, включая развязывающий трансформатор для управления ключами;
• неплохо разведенная печатная плата;
• ремонтопригодность;
• возможность получения 250-300 Вт без активного охлаждения;
• «мягкую» защиту от КЗ, позволяющую зажигать лампы накаливания;
• защиту от перегрева.

К минусам я бы отнес:

• обман с максимальной мощностью БП. 600 Вт, на мой взгляд, от него можно потреблять только кратковременно, иначе БП перегреется. Реальная максимальная мощность данного БП – 500 Вт, как и написано на плате;
• заниженная емкость входных конденсаторов;
• не LLC;
• желательность некоторых доработок.

Моя итоговая оценка БП – 4 из 5. Если вам нужен БП для мощности до 300 Вт (недорогой 3D-принтер, например) и вам не жалко чуть переплатить – берите. В этом режиме он сможет работать даже без активного охлаждения, что позволит снизить шум устройства в процессе работы. Если вам нужен БП до 500 Вт – тоже можно брать. Работать будет, однако, ближе к 500 Вт нагрев блока будет уже значительным. Если вам нужен БП для большей мощности, брать не советую, обратите внимание на другие модели (только предварительно посмотрите их обзоры).

Всем добра и с наступившими праздниками!