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

SITOP

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.

SITOP vskritie

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.

kosoy polumost

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.

DSC_1433

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.grafiki

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.

DSC_1434С большой вероятностью мультиметр покажет, что 1.5КЕ350 скорее мёртв чем жив.

DSC_1435У 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.

DSC_1437В 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.shemaЕсли 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. Если же нет, то дальнейшие нюансы,  особенности поломок и их причины, я постараюсь рассказать в следующих статьях.

You may also like...

36 Responses

  1. Сергей:

    Здравствуйте.
    А почему бы не поставить параллельно сборке супрессоров те же ВВ диоды Шоттки, или FAST диоды? Тогда, супрессоры выполняли бы свою основную функцию — защиты, а диоды — функцию рекуперации энергии при обратном ходе. При этом, основной ток приняли бы на себя диоды, т.к. падение напряжения на них в прямом направлении гораздо меньше, чем у супрессоров, которые, как известно, не очень любят длительные нагрузки, быстро деградируя при этом.

  2. Роман:

    У меня на производстве после установки нового оборудования с БП Sitop 24V 20A 3PH, после трёх лет эксплуатации стали повально гореть эти блоки. За два месяца 7 штук, на линии их штук 20. Причём у всех одно и тоже выход из строя супрессоров у обоих транзисторов и выгорание шунта из 6 сопротивлений. Прошу высласть на мыло пособие по ремонту на адрес romius80@mail.ru.

  3. Oleg:

    Автору советую исправить концептуальную ошибку:

    «Кстати звонится супрессор как обычный диод.»
    Фигушки! Супрессор звонится именно так, как показывает ваш тестер на фото. Т.е. 1300-1400 едениц, а обычный диод — около 500-600. Ваш супрессор РАБОЧИЙ — не вводите людей в заблуждение.

    Попал ко мне недавно подобный блок питания. Прочитав вашу статью пошел покупать супрессоры, хотя в ремонтируемом БП, на мой взгляд, они вроде бы были рабочие. После покупки измерил сопротивление: Как новые, так и стоявшие в БП супрессоры показывали 1300-1400 каких-то единиц. Измерения проводил на различных тестерах. (у меня их несколько)
    А БП вылечился заменой пары кондюков с повышенным ESR.

    • Radiolomator:

      Действительно. Проверил под нагрузкой его с помощью блока питания.
      А допустил такую ошибку видно из-за того, что лежит у меня пачка супрессоров 1.5ке400. которые звонитяся моим тестером с показателями 500-600. Да и в самом БП бывает, что из этой пары один звонится так… а второй так…
      Возможно зависит от производителя, визуально супоессоры отличаются.
      Спасибо за конструктивную критику, как возможность, я обязательно исправю этот пункт.

  4. Евгений:

    Здравствуйте.
    Попал ко мне на ремонт подобный БП(SITOP 300S) после отключения электроэнергии в цехе.
    Никаких видимых повреждений нет. Нашёл два неисправных smd-супрессора 400A фирмы Vishay (звонились накоротко). Также вышли из строя три NTC-термистора R=15 Ом.
    После их замены блок не запустился.
    «Полевики» проверил тестером — КЗ нет.
    Также проверил «мост», дроссель и варисторы. Всё в порядке.

    Подскажите, пожалуйста, что ещё могло выйти из строя, какие элементы проверить?
    Заранее благодарен за ответ.

    • Radiolomator:

      Доброго времени суток. Все блоки питания сименс посироинв вокруг шим-контроллера uc38xx. Других не встречал пока. Так вот если он в 8-ми ножечном корпусе, то на 7 ножке шим должно быть напряжение около 16 вольт, если оно в районе 8 вольт, то вызвоните электролит, который плюсовым выводом припаян к 7-й ножке шим, где-то на плате. Он будет от 27 до 47 мкФ по идеи… Ставить любой, но не меньше 47.

      • Sania_Brest:

        Спасибо! Помогло! Только у меня кондер подключался к 7 ножке не напрямую а через транзистор и его емкость 4,7 мкф (выпаял померял 0,8 мкф), заменил на 10 мкф.

  5. Алексей:

    Здравствуйте! А как у этого блока сделана раскачка верхнего плеча? ТГР или оптика?

  6. Сергей К.:

    Здравствуйте, нужна помощь, ремонтировал sitop20a,два штуки. Благодаря вашей схеме,спасибо.
    По первому бп.
    Заменил резисторы шунта, диоды, стабилитроны, супрессоры, термисторы,в одном поставил силовые ключи в 220 корпусе STP10NK80Z.Включил,на выходе было 33v,на регулировку не реагировал и быстро нагревался.
    Конденсаторы 27мкф50в проверил ESR метром,в норме.
    Заменил шим UC3843а , и все заработало.

    Во втором блоке,были заменены:
    1)термисторы NTC10D15 10Om 3шт.
    2)Силовые ключи,W13NK80Z 2шт вместо STW11NB80.
    3)Супрессоры 4шт.
    4)Шунт с 6 резисторами и двумя диодами.
    5)диоды VT4,VD2-3,VD5.

    После запуска бп вышел волшебный дым.
    Разорвало два термистора в второй и третьей фазе,один силовой ключ,который стоит на против транса.
    А также выгорел шунт 6 резисторов с двумя диодами, диод VT4 и т.д.
    Супрессоры и один силовой ключ остались целые.

    Сразу хочу сказать,термисторы и супрессоры установлены правильно.
    Мост Ларионова и диоды были проверены тестером.

    Пожалуйста,подскажите в чем была вероятнее всего причина?
    Заранее благодарю за помощь.

  7. Сергей К.:

    Radiolomator скиньте пожалуйста пособие по ремонту на k428ek@mail.ru
    Спасибо.

  8. Сергей К.:

    Да дошел, благодарю Вас.

  9. Алексей:

    Ребята вот еще вопрос, как в этом блоке питания организованна стабилизация напряжения?

    • radiolomator:

      Измеряется напряжение на выходе блока питания, на плате, которая впаяна вертикально есть компаратор, который сравнивает напряжение на выходе с опорным. Как только напряжение на выходе превышает опорное, компоратор даетсигнал на оптопару (их там две, рядм с регулировочным резистором). Вот какраз выход одной из оптопар подключен к выводу ШИМ контроллера. первая ножка ШИМ — называется COMP. Как только напряжение на этой ноге ШИМ больше 1 вольта, шим сразу уменьшает ширину импульса, в плоть до выключения, пока напяжение не станет меньше 1 вольта. Выход оптопары подключен к этому входу не на прямую, а через полевичек.
      А защит по току у него аж две. Одна — это шунты в цепи импульсного трансформатора. Вторая — шунты на выходе блока пиатния, и сигнал с них так же сравнивается компоратором, который дает сигнал на вторую оптопару, и дальше по аналогии с напряжением.
      А вообще эта тема заслуживает отдельной статьи, но к сожалению пока, что нет на это времени.

      • Алексей:

        Интересно, а полевичок что делает в этой цепи?

        • radiolomator:

          Вы про тот, что в самом верху платы в корпусе D2PAK? Это на транзюке собрали стабилизатор напряжения. Там, если обратите внимание, есть еще PIC контроллер, ему нужно питание 5 вольт, ну и всей остальной схеме.

        • radiolomator:

          Или вы про полевичек в цепи между оптопарой и ШИМкой? =)))) Там нагорожена куча защит. Этот полевичек не откроется до тех пор, пока у ШИМки не будет нормального напряжения питания. Это типа, чтобы ШИМ не снизила напругу до такого уровня, что сама отключится.

  10. Алексей:

    Да просто интересно как организована схемотехника блока. Как то мне попадался такой в ремонт, я его быстро сделал в схему не вникая. А сейчас сам разрабатываю блоки питания, в том числе и на основе косого моста, и вот интересуюсь что делают такие монстры как Siemens в таких блоках. Я так понял ШИМка питается от силового трансформатора тоже, то есть специального дежурного какого нибудь обратнохода там нету?

  11. Валерий:

    Добрый день! Radiolomator скиньте пожалуйста пособие по ремонту на rvp3@rambler.ru. Очень нужно для обучения персонала и ремонта.
    Спасибо

  12. Петр:

    Добрый день! Radiolomator скиньте пожалуйста пособие по ремонту на
    pointxyz@ya.ru.Необходимо для проведения ремонта

  13. Петр:

    Уважаемый Radiolomator! Скиньте пожалуйста пособие по ремонту и если есть
    схему на sitop PSU100S 6EP1336-2BA10.Крайне нужно отремонтировать.Много погорело.Не ясно какие детали.C уважением Петр.Заранее благодарю Вас.

  14. Петр:

    P.S. Извините забыл указать адрес pointxyz@ya.ru

  15. Михаил:

    Здравствуйте Уважаемый Radiolomator! Скиньте пожалуйста пособие по ремонту.Много блоков 20а просто не включаются.На вид ничего горелого нет. Заранее спасибо. tikhomirov1@list.ru спасибо.

  16. Михаил:

    Хорошие статьи по источнику, но есть уточнения.
    1. Неверна нарисованы подключения супрессоров — реально они подключены параллельно силовым транзисторам, а не по диагонали. Таким образом, они не участвуют в возврате накопленной энергии в конденсаторы входного фильтра, а служат всего лишь для защиты транзисторов. Куда же разряжается трансформатор после активного цикла? Параллельно первичным обмоткам имеются конденсаторы, которые с обмоткой образуют колебательный контур. Если ткнуть осциллографом то можно убедиться в наличии половинки синуса между активными состояниями силовых транзисторов на обоих выводах первичной обмотки. Т.е. энергия ушла в конденсаторы контура и вернулась в транс, перемагнитив его. Такая схема называется квазирезонансной.
    2. Тем не менее супрессоры бывает, что горят. При этом транзисторы могут остаться целыми. Только что починил один такой ИП. Он был включен параллельно с еще двумя и не давал им нормально работать, а сам свистел. В конце концов бабахнул. Причина — высохшие конденсаторы 22мкф. Два из которых в цепи питания имс3843. Судя по всему ип постоянно молотил в режиме запуска. Тут то супрессорам и доставалось!
    3. В последующих статьях ссылаясь на даташит 3843 рекомендуете заменить конденсатор 22мкф (в цепи питания 3843) на бОльшую емкость в 47мкф. На плате 3 конденсатора по 22мкф, два из которых параллельны и включены в цепь 3843. Т.е. увеличивать емкость нет необходимости — ее там достаточно. Просто сразу заменять конденсаторы в 22мкф на новые. Все три. Третий возле диодов за трансформатором.
    4. Каковы номиналы измерительных резисторов, которые шунтом обозвали? Как не пытался разглядеть — не получилось. В крайнем сдохшем БП все 6 показывали разное сопротивление — от 1ом до 240ком)). Очень нужно, т.к. ремонта ждут еще 2 таких же БП.

  17. Марк:

    Уважаемый Radiolomator! Слезно прошу скинуть пособие по ремонту на f298244@gmail.com
    Уже 4 «пациента» ждут ремонта. Заранее благодарен!

  18. Олег:

    Парни у кого есть схема SITOP 20, 6EP1436-1SH01, 3хфазный
    киньте в почту sher72@mail.ru

  19. Константин:

    Уважаемый Radiolomator! Скиньте пожалуйста пособие по ремонту и если есть
    схему на sitop 6EP1 336-3BA00.Крайне нужно отремонтировать.
    Заранее спасибо Star.Konstantin1988@yandex.ru

  20. Сергей:

    Уважаемый Radiolomator! Слезно прошу скинуть пособие по ремонту на gonc-s@yandex.ru
    2 «пациента» ждут ремонта. Заранее благодарен!

  21. Дмитрий:

    Уважаемый Radiolomator! Очень прошу скинуть пособие по ремонту на flexent@mail.ru
    Заранее признателен!

  22. Дмитрий:

    Уважаемые читатели форума! Если есть возможность сфотографируйте плату Sitop Power 40 cмд деталей, непонятно из каких резисторов собран шунт, там их 11 шт, маркировка синяя-серая-золотистая полоски, что переводится как 6,8 Ома каждый, хотя на форуме проскакивала инфа, что они по 1,2 Ома каждый. Деталюшки, стоящие в шунте, в корпусе sot23, имеют маркировку z1 и Z5w, по справочнику это стабилитроны на 4,7В и 6,8В, а уважаемый автор темы пишет что это стабилитрон на 16v и диод Шоттки… Вообщем вопросов больше чем ответов на них((

  23. Егор:

    Уважаемый Radiolomator! Скиньте пожалуйста пособие по ремонту Sitop PSU200M. Заранее спасибо!

  24. Сергей:

    Уважаемый Radiolomator! Очень прошу скинуть пособие по ремонту на
    gonc-s@yandex.ru
    Заранее признателен!

Добавить комментарий для Михаил Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>