36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус

В прошлом обзоре блока питания я затронул тему того, как выбрать правильный блок питания. Если честно, то я немного не ожидал, что эта тема окажется такой нужной. В комментариях, а еще больше в личной переписке, меня спрашивали и о других нюансах выбора, принципах работы и о алгоритме поиска неисправностей.
В этом обзоре я постараюсь ответить на большую часть этих вопросов, а также возможно затрону тему новых вопросов :)


Начну с того, что для одного из моих ближайших проектов потребовался блок питания на 36 Вольт 10 Ампер. Вернее потребовалось их два, и заказал их два, но так как они абсолютно одинаковые, то и обзор будет на один блок.
Для чего и зачем я пока писать не буду, уж извините, но этот блок питания мы разберем «по винтикам».

Как всегда, сначала упаковка.
Пришли блоки питания (помимо общей упаковки) в обычных картонных коробках белого цвета, опознавательные знаки на упаковке отсутствовали, просто две большие коробки.
На вид абсолютно одинаковые, впрочем я бы скорее удивился если бы они были разными :)


Основное отличие импульсных блоков питания от тех, которые используют 50Гц трансформаторы — размер. Второе отличие — цена.
50Гц трансформатор на такую мощность будет иметь гораздо большие размеры и хоть он по конструкции намного проще, но будет иметь большую цену, так как содержит больше меди и железа.
Кроме того импульсные БП имеют больший КПД, потому в последнее время получили большое распространение, хотя «железные» трансформаторы отличаются большей надежностью.
Но стоит учитывать, что брендовые БП имеют обычно еще большую сложность и цену, так как имеют хорошую элементную базу, фильтры питания, корректоры мощности и т.п, потому чаще люди пользуются более простыми вариантами от небольших китайских фирм.
Один из таких блоков питания мы и рассмотрим в этом обзоре.
Если до этого мы рассматривали блоки питания небольшой мощности, то в этот раз я расскажу про довольно мощный вариант БП мощностью 360 Ватт, хотя на фоне вариантов Бп мощностью 800-2000 Ватт и он кажется «малышом».

Как я выше писал, импульсные БП имеют чаще небольшие размеры.
Данный блок питания имеет высоту примерно как у коробка спичек — 49мм. Длина блока питания 215мм, ширина — 114мм.


На одной из боковых граней корпуса присутствует маркировка:
S-360-36
Мощность блока питания 360 Ватт
Выходное напряжение — 36 Вольт
Максимальный выходной ток — 10 Ампер
Входное напряжение — 110/220Вольт ±15%

На второй стороне присутствует переключатель диапазона входного напряжения, в наших странах неактуальный и даже вредный, так как переключив в режим 110 Вольт и включив в стандартную сеть 220-230 Вольт мы получим скорее всего громкий бах.
Я обычно при ремонте таких БП сразу выкусываю этот переключатель, просто в целях безопасности.


Сверху корпуса установлен небольшой вентилятор. При таких мощностях блоки питания уже крайне редко делают с пассивным охлаждением, мне такие попадались всего несколько раз, но из-за сложности конструкции они имеют уже очень высокую цену, потом очень мало распространены.
Рядом присутствует надпись, указывающая, что вентилятор управляется автоматически в режиме вкл/выкл в зависимости от температуры.
Немного забегая вперед скажу, что никакой автоматики нет, без нагрузки он вращается медленно, но стоит хоть чуть чуть нагрузить БП, обороты сразу возрастают до штатных независимо от температуры.


В прошлом обзоре я писал, что блоки питания, рассчитанные на большой выходной ток, обычно имеют разделенные клеммы для подключения нагрузки. Так сделано в этом БП, здесь установлено по три клеммы на плюсовой и минусовой контакты.
Входные клеммы стандартны — Фаза, ноль, заземление.
Также слева установлен светодиод индикации работы блока питания и подстроечный резистор для корректировки выходного напряжения.


Клеммник имеет защитную крышку, которая открывается на 90 градусов, а в закрытом состоянии защелкивается.


У меня есть привычка разбирать БП перед первым включением. Делаю я это в целях безопасности, так как бывали разные случаи.
Внутри данного БП на вид все нормально, за исключением небольшого нюанса, который я заметил сразу. Дело в том, что выходной дроссель имеет большие размеры и почти касается верхней крышки, это не очень безопасно. Током конечно не убьет, но БП может пострадать, я бы рекомендовал проложить дополнительную изоляцию между дросселем и крышкой. Такой проблемой страдают многие недорогие блоки питания, так что это не косяк данного блока.


Как я писал выше, охлаждается блок питания посредством небольшого вентилятора.
Судя по маркировке, вентилятор имеет размеры 60х15мм, т.е. 60мм это длина и ширина, а 15мм — толщина.
Вентилятор рассчитан на 12 Вольт. к сожалению здесь применен недорогой вентилятор, кроме того имеющий подшипники скольжения и если вы планируете применить где нибудь такой БП, то для длительной беспроблемной работы я бы заменил его на что нибудь более правильное.
Я уже как то писал в своих обзорах, что чаще всего применяю вентиляторы фирмы Sunon, на мой взгляд у них довольно высокое качество и надежность.
Из хорошего можно сказать то, что вентилятор в данном БП довольно тихий, что очень хорошо.


Силовые полупроводники прикручены к алюминиевому корпусу блока питания через небольшие теплораспределяющие проставки.
Мне не очень нравится подобный вид крепления полупроводников, но так делают почти все. например в блоках питания фирмы Менвелл транзистор крепится точно также, правда там в целях безопасности на него одет резиновый колпачок.
Так как данный блок питания двухтактный, то высоковольтных транзисторов два, а не один.
Выходной диод один, хотя на плате присутствует место под установку второго, подключаемого параллельно первому. Второй устанавливается в блоках, рассчитанных на меньшее напряжение и больший ток, но никто не мешает поставить и здесь второй, но это уже скорее доработка, а измерения покажут, имеет ли смысл данная операция.


Осмотр закончили, включаем и производим небольшую проверку.
Цель данной проверки, выяснить пределы регулировки выходного напряжения и вставить на выходе БП то напряжение, на которое он рассчитан, ну или то, которое необходимо.
1. при включении БП показал на выходе 36.8 Вольта.
2. минимальное напряжение, которое можно выставить — 34.53, я рассчитывал, что минимальный порог будет ниже, для моего применения придется дорабатывать.
3. А вот максимальный порог сильно удивил. Когда крутил, то даже стало немного не по себе. 52.3 при штатном 36. Ожидал что БП накроется, пока я фотографирую, но все прошло нормально, хотя я не рекомендую выставлять такое напряжение на выходе, чаще нормальным считается ±10% от штатного.
4. Выставляем на выходе 36 Вольт. Судя по диапазону перестройки уже можно понять, что регулировка очень грубая, потому мне пришлось немного помучаться чтобы выставить ровно 36 Вольт, хотя в реальной жизни это смысла не имеет и сделано было только для обзора :)


Разбираем блок питания дальше.
Транзисторы довольно неплохо прилипли к своей пластинке, отдирать их не хотелось потому я открутил и теплораспределительную пластинку :)


К плате особых нареканий не возникло, обычная недорогая сборка, бывало и хуже, но бывало и лучше, по пятибальной шкале на 3 балла.
Но один дефект все таки нашел, была не очень хорошая пайка одного из контактов трансформатора. Непропай в данном месте ни к чему фатальному бы не привел, но расстроил.
Дорожки. по которым течет значительный ток, дополнительно пролужены припоем.


Естественно я начертил схему данного БП, делал я это только для обзора, так как схемотехнику этих блоков питания знаю хорошо и обычно в схеме не нуждаюсь, но возможно кому нибудь будет полезно, так как такая схема (с некоторыми небольшими изменениями) используется в большинстве БП такой мощности.
Но хотя я и знаю хорошо эту схемотехнику, перечерчивать схему по плате было не очень удобно и заняло больше времени, чем я планировал.
Схема практически повторяет схему классического компьютерного блока питания и как показала практика, является очень ремонтопригодной.
На схеме присутствует шунт для измерения тока, на схеме его сопротивление указано как 0.1 Ома, но на самом деле при прозвонке он скорее был ближе к перемычке.


Дальше я решил немного рассказать о том, как вообще работают такие блоки питания, тем более что многие узлы являются типичными для почти всех импульсных блоков питания.
На этой блок схеме обозначены основные узлы импульсного блока питания. Правда сейчас задающий генератор и схема управления выполняются в одной микросхеме, а иногда микросхема содержит с высоковольтный транзистор.
Иногда по входу импульсного блока питания устанавливают Корректор Коэффициента Мощности, а в мощных БП он является обязательным, если БП соответствует европейским нормам, но об этом я расскажу как нибудь в другой раз, так как в недорогих БП он почти не встречается.


На основании этой блок схемы я дальше и буду рассказывать об этом БП, но для начала немного теории о процессах, происходящих в импульсном блоке питания.
Ключевое в работе импульсного блока питания, это принцип ШИМ стабилизации, правда стоит отметить, что вполне существуют и импульсные блоки питания без этого, но они являются не стабилизированными, т.е. выходное напряжение зависит от мощности нагрузки и входного напряжения.
ШИМ регулирование это изменение соотношения времени включенного состояния коммутирующего элемента к выключенному состоянию.
Если на графике, то выглядит это так:


Если «на пальцах», то я недавно объяснял в личке этот принцип стабилизации, попробую повторить здесь.
Многие наверное помнят задачки типа — через одну трубу в бассейн поступает вода со скоростью х литров в минуту, через другую выливается со скоростью Y литров в минуту.
Вот на этом принципе я и объясню как это работает.

Для начала представим, что существует очень большая емкость (электрическая сеть), маленькая емкость (конденсатор выходного фильтра питания), ну и всякие мелочи для переправки воды из одного места в другое.
На бочке установлен кран, через него вода убегает к потребителю, ну или энергия в нагрузку.
Пополнять бочку мы можем только определенное количество раз в минуту (бывают альтернативные варианты, но о них пока не будем), например 100 раз.
Наша задача, поддерживать уровень воды в бочке всегда постоянным.
Так как пополнять может только определенное количество раз в минуту, то значит пополнять придется разными объемами.
К примеру если потребление маленькое, то будет достаточно обычных чашек, а если кран открыли на полную, то придется использовать ведра.
В ШИМ регулировке это означает меньшую или большую ширину открытого состояния силового элемента.
Если кран закрыт, то пополняем бочку наперстками, есть же еще испарение (утечки, нагрузка цепи обратной связи т.п.) которое надо компенсировать :)

Используя узел обратной связи, контроллер отслеживает напряжение на выходе блока питания и подстраивает мощность, передаваемую в нагрузку так, чтобы напряжение на выходе БП оставалось неизменным.
Кстати, таким способом можно сделать обратную связь по чем угодно.
Например в драйверах светодиода контроллер следит за током.
Можно следить за температурой, подстраивая скорость вентилятора, за освещением, регулируя яркость лампочки и т.д. и т.п.

На этой диаграмме показано:
1. Ток в цепи трансформатора (условно)
2. Сигнал управления ключевым транзистором
3. Напряжение на выходном конденсаторе.


Существует довольно много топологий построения импульсных блоков питания, я нарисовал несколько самых распространенных.
Немного расскажу о них.
1. Обратноходовый преобразователь. Применяется там, где хорошо иметь большой диапазон входного напряжения и небольшая мощность (до 100-150 Ватт). Скорее всего Бп вашего планшета или монитора применена именно эта схема.
2. Полумостовой преобразователь. Также очень распространенная схемотехника. Думаю что я буду не сильно далек от истины, если скажу, что в 95% компьютерных БП применена именно такая схемотехника. Ее преимущества — большая мощность при относительно простой схемотехнике, меньший размер трансформатора, так как трансформатор применяется без зазора, в отличии от первого варианта.
3. Двухтактный преобразователь (PushPull- Тяни-Толкай). Данная схема в сетевых блоках питания применяется крайне редко, зато она нашла широкое применение в инверторах недорогих блоков бесперебойного питания.
4. Мостовой преобразователь. Так сказать «расширенная» версия полумостового. Преимущества — большая мощность, ток через силовые ключи в два раза ниже чем в полумостовой.
Также такая схема применяется в более сложных блоках бесперебойного питания.

Существует еще несколько топологий, но они являются производными от приведенных выше, и менее распространены, потому не вошли в данную статью.


В этот раз я также начертил цветной вариант схемы обозреваемого блока питания, где цветом обозначил основные узлы, о которых говорил выше.
Как я писал, некоторые цвета мне тяжело назвать правильно, потому буду уточнять.
Красный — Входной фильтр питания, диодный мост, силовой узел.
Красно-фиолетовый (слева внизу) — Узел управления мощными транзисторами инвертора.
Зеленый — Микросхема- ШИМ контроллер и ее «обвязка».
Синий — Выходной выпрямитель, дроссель и конденсатор фильтра
Голубой — Цепь контроля выходного тока
Фиолетовый — Узел контроля выходного напряжения
Желто-рыжий — Узел блокировки преобразователя при снижении напряжения на выходе.

В этой схеме нет привычного элемента, который был на всех прошлых схемах — оптрона. Дело в том, что здесь ШИМ контроллер питается от выходного напряжения. первоначальный запуск бока питания происходит благодаря резисторам R8 и R14. Такой принцип применялся в компьютерных БП АТ стандарта, с приходом АТХ стандарта контроллер стал питаться от источника питания дежурного режима и эти резисторы исключили из схемы.


Дальше я покажу большую часть узлов и элементов на примере конкретного блока питания.
Начнем с сетевого фильтра.
В этом БП он есть, это уже хорошо, так как в дешевых компьютерных БП вместо него ставят просто перемычки, но в дорогих он может быть и многоступенчатым. Здесь средний вариант между этими двумя.


По входу блока питания установлен предохранитель и ограничитель пускового тока — NTC терморезистор (термистор).
Также присутствует Х2 конденсатор для уменьшения помех, излучаемых блоком питания, в сеть.


Двухобмоточный синфазный дроссель намотан довольно толстым проводом, хотя размеры при такой мощности могли сделать бы и побольше.
Входной диодный мост KBU808 рассчитан на 8 Ампер 800 Вольт.


В фильтре питания присутствуют как Y конденсаторы, так и один обычный, высоковольтный.
Но в данном случае применение обычного высоковольтного вместо конденсатора Y типа безопасно, так как если БП не заземлен, то даже при его пробое выход БП будет все равно подключен через Y конденсатор, а если БП заземлен, то тем более ничего не будет :)


Конденсаторы входного фильтра питания промаркированы как 680мкФх250 Вольт.
Если верить маркировке, то в принципе их емкость достаточна, а напряжение выбрано даже с запасом.


Но реальность оказалась несколько другой, емкость конденсаторов всего 437мкФ, что при последовательном соединении дает всего около 220мкФ. Мало, хоть в принципе и терпимо.
Большая емкость дает больший срок жизни конденсаторов, меньшие пульсации и добавляет запаса по входному напряжению в сторону уменьшения напряжения.
Я думаю потом их заменить на что то поприличнее, но пока не нашел подходящих, так как данные конденсаторы имеют высоту 35мм, максимум можно попробовать установить 40мм, а большинство найденных мною конденсаторов имеют высоту 45мм.
На плате выделено место под конденсатор большего диаметра, так что «будем искать» :)


Узел ШИМ контроллера и инвертора.
В качестве ШИМ контроллера применена «классика жанра», KA7500, которая является почти полным аналогом TL494, наверное самого распространенного ШИМ контроллера, соперничать с ним по популярности может разве что uc384x.
Силовые ключи инвертора — MJE13009


К сожалению теплораспределительная пластина прижимается к корпусу без пасты. Тестирование показало, что проблем из-за этого не возникает, но я бы для успокоения души все таки нанес термопасту.


Узел выходного трансформатора, выпрямителя и конденсаторов фильтра.


Выходной диод — SF3006PT, это 30 Ампер 400 Вольт диод, что для 10 Ампер блока питания более чем достаточно.
Как я выше писал, рядом есть место для второго диода, потому в принципе можно немного улучшить характеристики, но на самом деле прирост КПД будет мизерным.


Выходной дроссель.
Здесь он выполняет несколько другую функцию чем в обратноходовых блоках питания, из-за этого и такие большие размеры. Скажу лишь что его размеры соответствуют заявленной мощности блока питания. Кроме его высоты замечаний нет.
Конденсаторы выходного фильтра.
Производитель поставил три конденсатора по 1000мкФ 63 Вольта.
Обычно я говорю, что емкость выходного конденсатора должна быть равна 1000мкФ на каждый ампер выходного тока. В двухтактных блоках питания требования менее жесткие, и даже бренды ставят такую же (а иногда и меньшую) емкость при таком токе, правда в их оправдание могу сказать, что в брендовых БП конденсаторы стоят лучшего качества.
Также на фото попал токовый шунт и видно, что для более сильноточных вариантов есть место для дополнительных шунтов.


Здесь с емкостью все в порядке. Практически соответствует заявленной.


После осмотра я скрутил все обратно, только не привинчивал верхнюю крышку и перешел к этапу тестирования под нагрузкой.
Стенд у меня остался тем же, что и в предыдущие разы и состоит из:
Электронной нагрузки
Мультиметра
Бесконтактного термометра
Осциллографа
Ручки и бумажки :)

Правда в этот раз мне пришлось снять верхнюю крышку с электронной нагрузки, так как боялся что она будет перегреваться на такой мощности.
В основном тестирование проходило как и в прошлые разы, за исключением того, что для измерения температуры мне приходилось на ходу снимать верхнюю крышку. Из-за этого некоторые значения измеренных температур будут чуть завышенными так как БП успевал чуть подогреваться без принудительного охлаждения.


1. Режим холостого хода, напряжение выставлено 36.03 вольта, пульсации практически отсутствуют.
2. Ток нагрузки 2 ампера, напряжение чуть поднялось и составило 36.06 вольта, пульсации в норме.


1. Ток нагрузки 4 Ампера, выходное напряжение поднялось еще немного, пульсации в норме.
2. Ток нагрузки 6 Ампер, выходное напряжение 36.09 Вольта, это очень хороший результат, пульсации при этом всего 50мВ


1. Ток нагрузки 8 Ампер, выходное напряжение почти неизменно, пульсации выросли до 75мВ, но все равно остаются низкими для такого тока.
2. Ток нагрузки 10 Ампер, выходное напряжение поднялось до 36.12 Вольта, отличный результат, изменение от исходного всего 0.3%. Пульсации выросли до 100мВ, на мой взгляд ничего страшного, особенно с учетом того, что БП выдает 360 Ватт и 100мВ это всего 0.25-0.3%
Для примера, если бы это был БП на 12 Вольт, то эквивалент пульсаций равнялся бы 30мВ.
К сожалению последний тест длился всего 15-16 минут из привычных мне 20, на электронной нагрузке сработала защита от перегрева и отключила нагрузку :(


Дав нагрузке немного остыть, я решил ради эксперимента продолжить тест, но уже при 12 Ампер токе, проверять так проверять :)
Решение провести это эксперимент я принял потому, что компоненты БП имели температуру далекую от максимальной.
Но увы, проработал так БП максимум минуту, я сделал фото, снял осциллограмму, но потом последовал очень тихий щелчок (хотя на фоне воя вентиляторов нагрузки может и не такой тихий), малюсенькая вспышка в районе силовых ключей и БП затих :(
Правда у меня было маленькое подозрение, что виновата электронная нагрузка, она в определенной ситуации, при перегреве, могла закоротить выход БП (если сначала сработала защита на том радиаторе, где расположен датчик тока), хотя до такой температуры за минуту она прогреться не успела бы, но в любом случае БП не выдержал :(


Осциллограмма перед выходом из строя.
Видно что напряжение пульсаций находится вполне в норме. Но меня расстраивают более высокочастотные пульсации, вызванные скорее всего «звоном» в силовых цепях, как по мне, это одна из возможных причин выхода из строя, но утверждать не буду.


Измерение теплового режима работы проходило как всегда, 20 минут прогрев, измерение температур, повышение тока на одну ступень и т.д.
Полученные результаты можно понять из таблицы. Верхняя строка цифр — измерение температур на холостом ходу, заодно я проверил что термометр показывает одинаковые значения на разных компонентах.


В качестве небольшого бонуса я немного опишу методику поиска неисправности и ремонта конкретно этого БП и принципов поиска неисправности для основной массы поломок остальных.


Резюме.
Плюсы
Блок питания выдал заявленную мощность
Тепловой режим работы в норме
Небольшой уровень пульсаций
Наличие нормального фильтра по входу 220 Вольт
Отличная стабильность выходного напряжения
Хорошая ремонтопригодность

Минусы
Проблемы с надежностью при перегрузке или коротком замыкании
Конденсаторы входного фильтра имеют заниженную емкость
Нет заявленного автоматического управления вентилятором.
Низкое качество выходных конденсаторов

Мое мнение. Меня очень расстроило то, что блок питания вышел из строя, хотя это и произошло при мощности выше заявленной, но это говорит об отсутствии либо некорректной работе защиты от перегрузки. Но в то же время обрадовал температурный режим блока питания, даже при максимальной мощности никакие компоненты не перегревались, хотя выходящий воздух имел легкий запах нагретых компонентов, но это частая особенность новых блоков питания.
Но даже при том, что я спалил этот блок питания, могу сказать, что он имеет неплохой потенциал и если его не перегружать, то будет работать. В основном это связано с отработанностью данной схемотехники, здесь тяжело что то накосячить, хотя проблемы с надежностью вылезли :(
В будущем я думаю его немного доработать и надеюсь что в ближайшем времени вы увидите его (хотя скорее их) в одном из моих новых устройств, на которое я потихоньку готовлю обзор, там же будет и описание доработки.

Вполне возможно что в обзоре присутствует некоторое количество ошибок, если заметили, пишите, исправлю или дополню при необходимости.
Вся информация о ремонте основана на личном опыте. Вообще разнообразие причин поломок и методов определения неисправности гораздо больше, чем я описал, но боюсь что все описать очень тяжело и будет ну совсем большая статья.
Надеюсь что хотя бы часть читателей найдет ответы на свои вопросы, которые они мне задавали.

Магазин дал скидку на блок питания, исходная цена была 30.2 доллара, в течении недели будет действовать цена 26.99.