Ремонт импульсного блока питания 24-портового свитча 3Com

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Ремонт блоков питания

Опубликовано: 23.03.2017 20:54

Просмотров: 8703

Н.П. Власюк, г. Киев
Свитч или коммутатор 3Com модели НР-N020JX3, показанный на рис.1, китайского производства, имеет 24 порта и предназначен для объединения всех компьютеров (терминалов) офиса в единую компьютерную сеть. Питается он от электросети -220 В. Импульсный блок питания (ИБП), преобразующий -220 В в +3,3 В, смонтирован на отдельной плате (рис.2,а, б), установлен внутри корпуса свитча и прикреплен к нему двумя винтами.

 
Технические характеристики ИБП:
•  допустимый интервал питающего напряжения 100...240 В, притоке 1,0А;
•  выходное стабилизированное напряжение +3,3 В;
•  максимально допустимый ток нагрузки 4 А;
•  частота преобразования 53 кГц.
БП расположен на монтажной плате размерами 110x51 мм (рис.2,а, б). Напряжение питания (+3,3 В) с ИБП на главную плату свитча подается через разъем.
Все радиоэлементы на монтажной плате размещены навесным монтажом, без ЧИП элементов.
Принципиальная схема БП. составленная автором из осмотра монтажной платы, показана на рис.3. Все элементы на ней обозначены так, как и на монтажной плате, а там, где производители «забыли» это сделать, автор обозначил сам (тиристор VS1, номера выводов IC1, IC3, номера обмоток Т1). Тип некоторых элементов (D1, D3, D4...) не удалось прочитать, так как они залиты компаундом.
Схема БП свитча является типовой для ИБП. Главные достоинства ИБП - работа в широком диапазоне напряжений питающей электросети (данный ИБП допускает 100...240 В), поддержание стабилизированного выходного напряжения независимо от нагрузки и величины питающего напряжения (в допустимых пределах), малый вес и габариты.
 
 Основные элементы данного ИБП (рис.3): выпрямитель BD1, С2, микросхема IC1, ключ Q1, высокочастотный трансформатор на ферритовом сердечнике Т1, диод Шотки D3.
Принцип работы ИБП прост. Вначале переменное напряжение электросети 220 В поступает через сетевой фильтр на низкочастотный выпрямитель, где выпрямляется до напряжения +310 В.
Затем с помощью контроллера (микросхемы) и транзисторного ключа это напряжение преобразуется в импульсное напряжение порядка 20... 100 кГц. Работа ИБП на высокой частоте существенно снижает массу и габариты ИБП в основном за счет снижения веса и габаритов трансформаторов, дросселей и конденсаторов. Далее импульсное напряжение подается на первичную обмотку импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике, осуществляющего развязку между первичной сетью и потребителем.
Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки, выпрямляется и сглаживается фильтрами, его величина зависит от количества витков этой обмотки.
В свитчах, для питания микросхем, очень важно иметь стабилизированное выходное напряжение, в данном ИБП оно равно +3,3 В. Регулирование выходного напряжения в заданных пределах осуществляется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному, при постоянной частоте.
Главным регулирующим элементом, стабилизирующим выходное напряжение, является петля обратной связи, принцип работы которой описан ниже.
Назначение радиоэлементов ИБП (рис.3):
•  предохранитель F1 2А с двумя проволочными выводами (наподобие резистора) защищает электросеть и блок от токов, превышающих 1 А, которые могут появиться при повреждениях (пробоях) в схеме;
•  ТН1 -термистор 10,3 Ом, ограничивающий пусковой ток;
•  NR1 - варистор 431KD07, предназначен для ограничения скачков напряжений в питающей электросети;
•  С1, NF1 - заградительный фильтр, предотвращающий проникновение в электросеть импульсных помех, возникающих в блоке питания в процессе преобразования;
•  R1 - резистор, разряжающий конденсатор С1 после выключения блока питания;
•  BD1 - выпрямительный мост электросети  220 В и С4 (47 мкФ / 400 В) - сглаживающий конденсатор, выпрямляющие напряжение электросети в +310 В. Естественно, если питающее напряжение изменяется в допустимых пределах  100...240 В, то выпрямленное напряжение на С4 будет принимать значения в 1,41 раза больше этих значений, т.е. +141...+338 В;
•  Конденсатор СЗ (0,01 мкФ) блокирует высокочастотные помехи;
•  IC1 - типа UC3845BN в корпусе DIP-8 - широко распространенная 8-выводная микросхема (однотактный ШИМ-контроллер), предназначенная для импульсных блоков питания (ИБП). Ее стоимость около  0,4 дол.

   Назначение  выводов (рис.4): 1 - вход компаратора; 2 - вход обратной
связи; 3 - вход контроля тока нагрузки на ИБП; 4 - частотозадающая часть; 5 - общий; 6 - выход импульсов для затвора ключа Q1 (их амплитуда около 10 В); 7 - напряжение питания микросхемы, допустимые пределы +10...+16 В, в работающем ИБП равно +10 В; 8 - выход опорного напряжения +5 В;
•  Q1 типа 2SK2645 (600 В; 9 А; 50 Вт) - полевой N-канальный транзистор, главный исполнительный   ключ   преобразователя,   внутри   его встроен диод, включенный обратно приложенному напряжению сток-исток, его назначение - поглощения выбросов, возникающих при работе ключа. Управление ключом Q1 осуществляет микросхема IC1 через вывод 6 воздействием импульсами частотой 53 кГц и амплитудой около 10 В на затвор транзистора;
•  R8 (33 Ом) - гасящий резистор в цепи затвора Q1;
•  R9 (10 кОм) - резистор смещения на затворе Q1;
•  R7, D2 - цепочка, обеспечивающая оптимальную форму импульсов на затворе полевого транзистора;
•  R3( 1,2Ом 2 Вт)-датчик тока, контролирующий нагрузку на ИБП. Снимаемое с R3 импульсное напряжение через R11   (1   кОм) подается на вывод 3 микросхемы IC1.  Конденсатор С8 (0,04 мкФ) сглаживает эти импульсы.
В зависимости от величины напряжения от датчика тока, микросхема автоматически регулирует скважность импульсов, а следовательно, и количество энергии, отдаваемой в нагрузку через трансформатор Т1. Если же ток в нагрузке превысит максимально допустимое значение или произойдет короткое замыкание, то снимаемое с R3 напряжение превысит пороговое значение, микросхема прекратит подачу управляющих импульсов на затвор Q1, и ИБП выключится;
•  R4, R5, R6 - соединенные последовательно резисторы, подпитывающие положительным напряжением вывод 3 микросхемы IC1;
•  Т1 - импульсный ферритовый трансформатор с тремя обмотками: 1 -первичная, принимающая на себя импульсы от работы ключа Q1, 2 -обмотка, обеспечивающая питание микросхемы IC1 в рабочем режиме +10 В, За, б - вторичная обмотка с отводом. Обмотка За используется для выдачи основного напряжения +3,3 В, 3б дополнительно выдает напряжение 1,7 В, но по отношению к корпусу, суммарное выпрямленное напряжение (обмоток За, б) равно +5 В. Это напряжение используется схемой как нагрузка на импульсный блок питания;
•  С4 (0,01 мкФ 1 кВ), D1; R2 (56 кОм, 2 Вт) -демпферная цепочка, препятствующая выбросам напряжения на ключе в момент его запирания. Эти выбросы могут превышать напряжение сети в 3-4 раза;
•  R3 (100 кОм) - резистор, осуществляющий первоначальный запуск микросхемы при включении ИБП в электросеть. Снимаемое с конденсатора С2 (47 мкФ / 400 В) напряжение через R3 подается на вывод 7IC1, при достижении на этом выводе напряжения +16 В микросхема запускается. В дальнейшем, в рабочем режиме, питание микросхемы на вывод 7 осуществляется от обмотки обратной связи 2 трансформатора Т1, при этом номинальное напряжение на этом выводе составляет +10 В;
•  С9, R12 - элементы, задающие частоту работы преобразователя микросхемы. В данном ИБП частота преобразования составляет около 53 кГц;
•  D3, С5 (100 мкФ / 25 В) - выпрямительный диод и сглаживающий конденсатор, питающие микросхему (вывод 7) в рабочем режиме ИБП, R27 (1,2 Ом) - гасящий резистор в этой цепи;
•  D3 - мощный диод Шотки типа STR1545CT, смонтированный на алюминиевом радиаторе. Охлаждение диода D3 с помощью радиатора позволяет ИБП отдавать в нагрузку ток до 4 А;
•  SCR1, С14 -- RC-цепочка, подключенная параллельно диоду Шотки D3, подавляющая высокочастотные «звоны», возникающие при выпрямлении переменного тока;
•  С15 (1500 мкФ/6,3 В), С16 (1000 мкФ/10 В), L3 - выпрямитель и сглаживающий фильтр во вторичной цепи +3,3 В;
•  R8 (120 Ом / 2 Вт) - нагрузочный резистор;
•  D4 - диод Шотки, выпрямительный диод, С11 (220 мкФ /10В) сглаживающий конденсатор и RA (41 Ом / 2 Вт) нагрузочный резистор в цепи +5 В. Это напряжение в схеме не используется, резистор RA в этой цепи лишь нагружает ИБП;
• петля обратной связи, предназначенная для стабилизации выходного напряжения +3,3 В, независимо от изменения питающего напряжения и нагрузки. Ее основные элементы (рис.3):
•  ICЗ (0427817С) - оптрон, основной регулирующий элемент петли. Он является посредником между низким и высоким напряжением, т.е. развязывает высоковольтную и низковольтную части ИБП и воздействует на вывод 2 однотактного ШИМ-контроллера UC3845BN;
•  IC4 (TL431K) - управляемый стабилитрон, создающий опорное (эталонное) напряжение для оптрона;
•  ZD3 - стабилитрон открывается, когда напряжение на выходе ИБП превышает +3,0 В;
•  VS1 - типа XL1225C (0,8 А/400 В)-тиристор (в дословном переводе с англ. - управляемый выпрямитель). Совместно с управляемым стабилитроном IC4 (TL431k), стабилитроном ZD3 и их обвязкой обеспечивают оптимальное свечение светодиода оптрона, а следовательно, и петли обратной связи.
VS1 обозначено автором, так как изготовители на монтажной плате его не обозначили;
•  R19, R20, R21, R25, R26, С18, С20, С21 -резисторы и конденсаторы обвязки, обеспечивающие номинальный режим работы низковольтной
части петли обратной связи;
• R15, R16 - делитель напряжения в высоковольтной части петли обратной связи. Они делят опорное напряжение +5 В, поступающее с вывода 8 IC1, в оптимальной пропорции для вывода 2IC1, при этом выводы 3-4 оптрона ICЗ являются регулирующим элементом.
Принцип работы петли обратной связи заключается в изменении скважности (длительности) импульсов, подаваемых микросхемой IC1 через Q1 в первичную обмотку импульсного трансформатора Т1, в зависимости от изменения величины напряжения +3,3 В.
Если это напряжение уменьшилось, то уменьшается и яркость светодиода оптрона, что вызывает увеличение сопротивления фототранзистора оптрона. Отчего уменьшается напряжение на выводе 2 IC1, и микросхема увеличивает длительность импульсов на выводе 6, т.е. на затворе ключа Q1. Ключ Q1, находясь более длительное время в открытом состоянии, больше отдает энергию в обмотку 1 трансформатора Т1, напряжение на вторичной обмотке За увеличивается, и на выходе восстанавливается напряжение +3,3 В.
Таким образом, управление скважностью импульсов методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется микросхемой через изменения потенциала на ее выводе 2. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния больше длительности выключенного, и сделано это для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.
К ремонту поврежденного ИБП приступают, если свитч не подает «признаков жизни», т.е. на нем не светятся индикаторы или свитч не выполняет возложенных на него функций. Свитч постоянно включен в электросеть и годами не выключается, то его повреждение дело времени. Для ремонта импульсный БП изымается из внутренней части свитча, для этого необходимо снять крышку и выкрутить 2 винта, крепящих блок питания к корпусу.
Ремонт начинают с внешнего осмотра, при котором выявляют поврежденные детали, целостность токоведущих дорожек, отсутствия трещин в пайках.
Наиболее слабым местом в ИБП являются электролитические (ЭЛ) конденсаторы, они высыхают и теряют емкость. При этом от избыточного давления газа внутри ЭЛ конденсаторов, торец их корпуса может быть вздутым, а пластины иногда закорочены.
Если поврежденные электролитические конденсаторы внешне не вздуты, то их заниженную емкость выявляют измерителем емкости (например, DM6243), при этом необязательно выпаивать конденсаторы. Причины, вызывающие высыхание (старение) ЭЛ конденсаторов, - длительное время непрерывной работы (составляет обычно 3...5 лет), повышенная температура окружающей среды. Если свитч находится в охлаждаемых серверных помещениях, то старение ЭЛ конденсаторов замедляется.
При замене поврежденных конденсаторов, новые должны иметь такую же емкость и величину максимально допустимого напряжения. Если у вас нет прибора, измеряющего емкость, то можете заменять все ЭЛ конденсаторы данного
ИБП, от этого блок питания будет работать еще дольше.
Затем, подключив омметр к входу 220 В, проверяют отсутствия короткого замыкания, сначала в высоковольтной цепи, а после, переключив омметр к выходу напряжения +3,3 В, и в низковольтной цепи.
Далее нагружают цепь +3,3 В лампой 3,5 В / 0,28 А, которая осуществляет нагрузку ИБП и является индикатором его работы, и включают в сеть -220 В через последовательно включенную электролампу 220 В х100 Вт. Эта лампа используется только на время ремонта или испытаний ИБП, она защищает его и электросеть от возможных пробоев радиоэлектронных элементов во время испытаний. Из практики известно, что после замены поврежденных электролитических конденсаторов блок питания работает нормально. После ремонта ИБП необходимо испытать на работоспособность в течение нескольких часов и способность выдерживать нагрузку, но об этом читайте ниже.
Внешние признаки неисправностей, их причина и метод устранения:
1. При включение в электросеть ИБП не работает (не запускается).
Типичная причина - заниженная емкость ЭЛ конденсатора С5, его необходимо заменить. В ИБП свитча ЗСом, который ремонтировал автор этой статьи, этот конденсатор имел емкость 6,5 мкФ при норме 100 мкФ.
2. После ремонта ИБП работает, но при испытании на работоспособность его выходное напряжение «прыгает».
Причем частота «прыжков» равна приблизительно 1 с, а пределы изменений выходного напряжения +2,0...+3,3 В. Причина - заниженная емкость ЭЛ конденсатора С11. В ремонтируемом автором ИБП емкость С11 была равна 10мкФпри норме 220 мкФ.
3.  После ремонта ИБП работает, но при испытании на нагрузку выключается.
Нагрузку отремонтированного ИБП проводят подключением к его выходу +3,3 В резистора 0,8...0,9 Ом мощностью 15 Вт, в таком случае блок питания должен выдавать ток около 4 А. Вместо резистора можно применить 12 В электролампы от автомобиля или 6 В от мотоцикла, при этом постепенно наращивать их количество и следить за тем, чтобы ток в цепи не превышал 4 А.
Первая и наиболее частая причина - заниженная емкость конденсаторов С2, С15, С16. Причем этот симптом может сказываться при понижении емкости вышеуказанных конденсаторов более чем на 40%.
Вторая причина - неисправность цепи обратной связи. Проверить все элементы этой цепи. Например, проверку работоспособности оптрона производят следующим образом: к его транзисторной части (выводы 3-4) подключают омметр, а на светодиод (выводы 1-2) подают питания 3 В (от двух соединенных последовательно батареек, с прямой полярностью для светодиода), при этом омметр должен показать изменение сопротивления. В нормально работающем ИБП напряжение на светодиоде оптрона, выводы 1-2, равно 1 В, а на выводах 3-4 - 2,5 В.
4.  При включение в электросеть ИБП не работает, измерения омметром показали, что сгорел предохранитель F1.
Предохранитель никогда не сгорает «от безделья». Возможные причины: скачки напряжения в электросети или наводки от молнии. Свитч, в таком случае, питался не от блока бесперебойного питания, который защитил бы его, а непосредственно от электросети, т.е. от розетки ~ 220 В. Варистор NR1 (431D07) (рис.3), находясь на входе ИБП, как правило, защищает схему от дальнейшего повреждения, т.е. от мощного скачка напряжения варистор открывается, и предохранитель может сгореть. Поэтому, используя омметр, необходимо убедиться, нет ли короткого замыкания в высоковольтной цепи, т.е. не пробиты ли полевой транзистор, варистор и иные детали. После заменить предохранитель и варистор, который после скачка напряжения может поменять свои параметры, и можно включать ИБП в электросеть, но обязательно через последовательно включенную электролампу 220 В /100 Вт.
Если обнаружили пробой полевого транзистора, то в таком случае всегда сгорает микросхема IC1 и датчик тока R14. Всех их необходимо заменить. При этом новый резистор R14 должен иметь точно такое значение и мощность. Необходимо проверить исправность и остальных радиоэлементов в обвязке полевого транзистора и микросхемы IC1.
5.  При включение в электросеть ИБП не работает, при этом предохранитель и полевой транзистор исправны. Подозрение падает на микросхему IC1. Как ее проверить?
Проверку работоспособности микросхемы IC1 (UC3845BN) можно провести без выпайки ее из схемы. Для этого на время проверки закоротить (запаять) перемычкой резистор R3 (100 кОм), далее к «выводу 6 и корпусу» подключить осциллограф, а к выводу 7 - электронный вольтметр. Затем к высоковольтному входу 220 В подключить регулируемый источник постоянного или переменного напряжения 0...30 В (желательно через резистор 100...300 Ом). Далее, начиная с О В, постепенно увеличивают регулируемое напряжение. При его значении +16 В на выводе 7 исправная микросхема запускается и работает при снижении напряжения в +12 В (номинальное значение). При этом осциллограф должен показать импульсы амплитудой около 10В. После окончания проверки не забудьте с R3 снять перемычку.
б. Индикаторы на свитче светятся, но он перестал выполнять возложенные на него функции, т.е. объединять подключенные к нему компьютеры в единую компьютерною сеть. Такая неисправность может появиться после нескольких лет работы.
Одна из причин - заниженное выходное напряжение ИБП свитча, которое может иметь место при заниженных емкостях конденсаторов С2, С11, С15, С16. Причем этот симптом может сказываться при понижении емкости вышеуказанных конденсаторов более чем на 40%.
Вторая причина - неисправность цепи обратной связи. Проверить все элементы этой цепи.
Безусловно, при повреждении ИБП неисправным может быть любой элемент, но автор описал типичные причины.
Для удобства ремонта ИБП на схеме рис.3 показана цоколевка полевого транзистора Q1 (К2645), управляемого стабилитрона ICЗ (TL431) и тиристора VS1 (XL1225С).
При ремонте ИБП следует помнить, что его высоковольтная часть находится под опасным для жизни фазным напряжением. Поэтому при ремонте следует проявлять осторожность. Чтобы обезопасить себя от поражения фазным напряжением (при случайном прикосновении), техника безопасности рекомендует применять силовой разделительный трансформатор 220 В / 220 В.
Рекомендация. Чтобы ИБП свитча долго и надежно работал, необходимо его питать от блока бесперебойного питания, гарантирующего на выходе стабильное напряжение 220 В и имеющего защиту от скачков (выбросов) напряжения электросети. Кроме того, эксплуатировать свитч в серверном помещении, где пониженная температура поддерживается кондиционером. Это не гарантирует вечную работу ИБП, но долговечность обеспечена.

РА 1 '2011
Литература
1.  Власюк Н.П. Импульсный блок питания свитча D-LINK DES-1024D // Радиоаматор. - 2007. -№10.
2.  Власюк Н.П. Ремонт импульсного блока питания свитча PLANET модели FGSW-2620 // Радиоаматор. - 2010. - №6. - С.30.
3.  ВласюкН.П. Блок питания ноутбука//Радиоаматор. - 2005. - №5. - С.28.
4.  Власюк Н.П. Импульсный блок питания факсимильного аппарата Panasonic KX-FT76 // Радиоаматор. - 2005. - №7. - С.52.
5.  Власюк Н.П. Что делать, если от аварии в электросети у вас вышла из строя бытовая техника // Радиоаматор. - 2005. - №9. - С.27.
6.  Власюк Н.П. Зарядное устройство мобильного телефона Nokia AC-3E// Радиоаматор. - 2009. -№1.-С.32.
7.  Власюк Н.П. Зарядное устройство цифрового аппарата Canon IXUS 8515 // Радиоаматор. -2009. - №2. - С.24.