Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Топология преобразователя.

ПЛК, ЧПУ, одноплатные компьютеры и т.д. / Источники питания / Siemens
Administrator
4 497
28-01-2017, 19:20
0

Недавно передо мной поставили задачу ремонта оборудования фирмы Siemens. А именно блоков питания, контроллеров, дискретных, а так же аналоговых модулей расширения, частотных преобразователей и других интересных приборов немало известных фирм. Так как это специализированное и довольно дорогостоящее оборудование, его довольно непросто купить и по этому хотелось бы продлить приборам жизнь. Но так же, именно по этой причине, вы нигде не найдёте принципиальных схем и детального описания работы оборудования, если только кто-то не поделится своим опытом реверс-инжениринга.

Я долго думал чем поделится, с чего начать. А начнём мы пожалуй с самого главного, на мой взгляд, элемента – блока питания. Все подобное оборудование, в первую очередь, требует стабилизированного, достаточно мощного источника питания, потому как без напряжения 24В, вам мало, что удастся сделать со всем этим железом.

Вот такой вот пациент попал ко мне на стол. Как известно вся электроника работает на «волшебном дыму», а из этого устройства он вышел во время очередного включения и выключения питания, по этому вывод напрашивался только один – ВСКРЫТИЕ.

При первом рассмотрении вскрытого блока питания не видно каких либо явных повреждений, обугленных деталий и т.п. Его включение в разобранном виде тоже ничего не показало — искрения, взрывов транзисторов и выделения дыма не последовало. Прибор просто не запускается. Поэтому придётся разбираться полностью как он устроен и искать косяки.

Пожалуй, прежде всего, стоит начать с топологии импульсного преобразователя. Выполнен он по схеме «косого полумоста» или, как написано в книгах, по схеме однотактного прямоходового преобразователя.

В этой схеме энергия выбросов напряжения рекупирируется назад в первичный источник с помощью диодов D1-D2, D3-D4. Это позволяет сохранить высокий КПД. Но самое главное – эта схема позволяет получить самое низкое напржение на стоке транзисторов VT1-VT2. Оно не превышает напряжения питания Uвх. Конечно вы понимаете, что силовые транзисторы открываются и закрываются одновременно . Схема «косого моста» широко применяется в однотактных преобразователях, предназначенных для работы с повышенным входным напряжением питания. В нашем случае это трёхфазное питание 380 В. Эта схема позволяет использовать относительно дешевые силовые транзисторы с невысоким пробивным напряжением. В этом случае один из её недостатков – последовательно включенные на пути рабочего тока обмотки трансформатора и двух транзисторов – сглаживается тем, что низковольтные транзисторы имеют пониженное сопротивление открытого канала, в следствии чего больших потерь мощности не происходит.

Обычная на первый взгляд схема «косого полумоста», но первое что мне бросилось в глаза — это два последовательно соединенных супрессора 1.5КЕ400 и 1.5КЕ350 вместо одного высоковольтного диода.

Супрессор – это полупроводниковый прибор предназначенный для защиты цепей оборудования от импульсов перенапряжения. То есть, его работа похожа на работу обычного стабилитрона, с тем отличием, что супрессоры гораздо быстродействиней, рассчитаны на большие токи и напряжения, а так же кратковременную работу. Если же включить супрессор в прямом режиме, то он работает как обычный диод, только ультрабыстрый.

Думаю таким образом разработчики хотели убить сразу двух зайцев. Потому как супрессоры — во-первых. гораздо дешевле ультрабыстрых диодов или диодов Шотки, а во-вторых имеют большее быстродействие.
Таким образом два последовательно включенных супрессора D1-D2 и D3-D4 выполняют роль диодов через который первичная обмотка трансформатора разряжается на источник питания (конденсатор С1) в момент когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты. Ниже на фотографии видно как они установлены на печатную плату.

Почему именно два?

Потому как в момент, когда транзисторы VT1 – VT2 открыты, к супрессорам прикладываетс напряжение, близкое к напряжению питания. Так как падение на транзисторах в открытом состоянии очень мало. Именно по этому напряжение пробоя супрессоров должно быть выше напряжения питания.

Так как, данный блок питания подключается к трехфазной сети, то после выпрямителя, на выводах конденсатора С1, мы имеем порядка 550-600 вольт постоянного напряжения – это минимальное напряжение на которое должны быть рассчитаны супрессоры. Максимальным же допуска как такого не будет. Думаю все что двигало разработчиками – это цена и наличие компонентов. Так например напржение пробоя у 1.5КЕ400 составляет 342 вольта, а у 1.5КЕ350 – 300 вольт, в итоге суммарное напряжении пробоя 642 вольта. Соответственно, чем ниже обратное напряжение тем супрессор дешевле.

Но вот только в каждой бочке мёда есть ложка дёгтя. Полистав учебники и даташит, я нашел некоторые интересные нюансы. При последовательном соединении супрессоров вместе с напряжением пробоя увеличивается максимально допустимая рассеиваемая мощность, в случае их работы в обратном режиме. Но тогда, при последовательном соединении рекомендуют, чтобы разница по напряжению пробоя не составляла более 5%, а при параллельном соединении и того меньше – всего 20мВ. Это гарантирует равную загруженность приборов по мощности.
Не будем отбрасывать возможность работы данной пары ограничительных диодов в обратном режиме, по этому, выбор супрессоров с разницей по напряжению более 10% считаю не совсем удачным. И если уж так важно получить напряжение близкое к значению 642 вольта, то в таком случае лучше воспользоваться тремя 1.5КЕ250, с напряжением пробоя 214 вольт. В итоге суммарное напряжении пробоя составит те же самые 642 вольта, но при этом разброс параметров будет минимальным (не более 20мВ). Да и рассеиваемая мощность вырастит втрое. Так же можно поступить гораздо проще и поставить пару супрессоров 1.5КЕ400, напряжение пробоя в таком случае будет порядка 684 вольт.

Почему не два 1.5КЕ350?

Потому как в момент открытия, силовых транзисторов, их переходное сопротивление будет близким к нулю, в итоге катоды диодов D1 и D3 будут подключены к «плюсу» питания, а аноды диодов D2 и D4 к «минусу». В таком случае к ним будет приложено напряжение Uвх, близкое к 600 вольт. Произойдёт лавинный пробой супрессоров и они начнут работать в обратном режиме, в таком случае весь ток потечет через них и последовательно включенный с ними транзистор, а дальше через шунт. Если обратная связь по току успеет сработать, то ШИМ контроллер прекратит свою работу, транзисторы закроются и работа возобновится после того как уменьшится протекаемый через шунт ток.

Это пока все мои рассуждения, касающиеся работы супрессоров в обратном режиме.

Теперь перейдём к их основной роли в данном источнике питания – это рекуперация выбросов напряжения трансформатора на источник питания. В момент закрытия силовых ключей VT1-VT2, электрический ток начинает убывать, возникает уменьшение магнитного потока, и в катушке снова появляется ЭДС самоиндукции, только уже обратной полярности. По этому ток потечет через супрессоры D1-D2, D3-D4, которые в таком случае включены как обычные диоды. Думаю, при выборе супресоров в качестве диодов для данной цели, разработчики руководствовались тем, что они имеют гораздо большее быстродействие чем, даже, ультрабыстрые диоды, порядка одной наносекунды. Но и здесь я наверное раскритикую данное решение. Прямое падение напржениея супрессоров 1.5КЕ400 и 1.5КЕ350 составляет 5 вольт, в то время как к тех же ультрабыстрых диодов или диодов Шотки оно составляет порядка 1 — 2 вольт, а у некоторых образцов и то меньше.

К чему я веду?

А к тому что уже при протекании 1 ампера тока, на таком супрессоре, в прямом включении, будет рассеиваться P = IхU=1х5=5 ватт мощности. Обратная связь по току, нашего блока питания, устроена таким образом, что при максимальной нагрузке, ток первичной обмотки будет составлять порядка 10 ампер (эти нюансы я обязательно разберу в следующих статьях). То есть после закрытия силовых ключей, первоначальное значение тока протекающего через D1-D2 и D3-D4, может составить около 10 А. Получается, что в импульсе на каждом из супрессоров может рассеиваться порядка 50 Ватт мощности, и такие импульсы будут следовать с частотой 50-60 кГц. А в случае резкого увеличения нагрузки на выходе блока питания, в обмотке трансформатора могут возникнуть реактивные выбросы, за счет чего ток рекуперации может быть еще выше.

На рисунке ниже, для большей наглядности, приведены временные диаграммы магнитной индукции, напряжения и тока в обмотке.

Красным цветом выделен участок рекуперации энергии накопленной в обмотке трансформатора, через диоды D1-D2 и D3-D4.

И здесь тоже разброс параметров диодов будет играть немаловажную роль. Так, что желательно установить диоды одного номинала, и если это возможно купить по нормальной цене у известного, зарекомендовавшего себя производителя. Либо же можно заменить их на высоковольтные диоды Шотки или ультрабыстрые выпрямительные диоды, на напряжение близкое к 1000 Вольт.

А теперь выпаиваем и звоним мультиметром оба супрессора. Кстати звонится супрессор как обычный диод.

С большой вероятностью мультиметр покажет, что 1.5КЕ350 скорее мёртв чем жив.

У рабочего супрессора 1.5КЕ350 или 1.5КЕ400 на экранчике вашего мультиметра должно быть примерно число 400 – 600. Всё будет зависеть от прибора. В данном случае один из супрессоров представляет собой «обрыв», соответственно обмотка трансформатора не сможет разряжаться в то время как закрыты транзисторы VT1-VT2, на вторичной обмотке не будет создаваться необходимого напряжения для питания ШИМ контроллера и блок питания не будет запускаться.

Так же возможна ситуация когда супрессор будет звониться накоротко.

В таком случае в схеме остаётся только один супрессор на 400 вольт, а при напряжении в 500-600 вольт постоянного тока он всегда будет работать в обратном режиме. И как уже было описано, весь ток потечет через супрессор и последовательно включенный с ними транзистор, а дальше через шунт. В таком случае блок питания тоже не будет запускаться, мало того. из-за большого тока протекающего через транзистор, тот может вылететь. Так, что выпаиваем и проверяем также транзисторы.

Проверить полевые транзисторы довольно просто если у вас есть регулируемый блок питания. Но для начала проверте его мультиметром, не звонятся ли накоротко сток-исток, затвор-исток, затвор-сток. Есле же нет, то на рисунке ниже приведена схема простого способа проверки.

Если включить полевой транзистор (или IGBT) согласно схеме приведенной выше, то при замыкании ключа S1, лампочка включенная последовательно с транзистором будет загораться, при размыкании — тухнуть.

Если видимых повреждений и сгоревших деталей обнаружено не было, то замена рассмотренных выше компонентов, с большой вероятностью может решить вопрос неисправности блока питания.

Источник: https://redblot.ru/

Обсудить на форуме

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Топология преобразователя.

Комментарии

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Запуск блока питания. Диагностика и замена элементов пуска.

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Схема управления силовыми ключами.

Импульсный блок питания Lambda DPP50

Модуль питания контроллеров CJ1W-PD202

Блоки питания. Siemens LOGO!Power

Источник дежурного напряжения питания блока питания стандарта ATX

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Топология преобразователя.

Комментарии

Похожие статьи:

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Запуск блока питания. Диагностика и замена элементов пуска.

Анатомия импульсного блока питания SITOP power 20 от фирмы SIEMENS. Схема управления силовыми ключами.

Импульсный блок питания Lambda DPP50

Модуль питания контроллеров CJ1W-PD202

Блоки питания. Siemens LOGO!Power

Источник дежурного напряжения питания блока питания стандарта ATX