Ремонт импульсного блока питания 24-портового свитча SURECOM

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Ремонт блоков питания

Опубликовано: 23.03.2017 20:59

Просмотров: 6319

Н.П. Власюк, г. Киев
Свитчи - главные элементы компьютерных сетей, они объединяют все компьютеры или терминалы офисов в единую сеть. Разнообразие свитчей огромно. На рис. 1 показан 24-портовый свитч SURECOM EP-824DX-FS китайского производства. Его питание обеспечивает импульсный блок питания (ИБП), модели SY1228-2303, смонтированный на отдельной плате (рис.2, а, б) и расположенный внутри его корпуса. Питается он от сети ~220 В и выдает стабилизированное напряжение +3,3 В. Свитчи постоянно включены в электросеть и годами не выключаются, что сказывается на их долговечности.

Технические характеристики ИБП:
•  допустимый интервал питающего напряжения~100 В...~240 В, при максимальном токе 1,0 А;
•  выходное стабилизированное напряжение +3,3 В;
•  максимально допустимый ток нагрузки 7 А;
•  максимальная мощность 23 Вт;
•  частота преобразования 80 кГц.
ИБП располагается на монтажной плате размерами 98x52 мм (рис.2,а, б).
 
 Входное напряжение ~220 В подано на плату через 3-контактный разъем (рис.2,а), а выходное напряжение +3,3 В -на главною плату свитча через 5-контактный разъем.
Все радиоэлементы на монтажной плате размещены навесным монтажом, без ЧИП-элементов.
Принципиальную схему ИБП автор нарисовал из осмотра монтажной платы. Схема показана на рис.3.
 
 Все элементы на ней обозначены так, как и на монтажной плате, а там где производители это не сделали, автор обозначил самостоятельно (номера выводов трансформатора Т1 и оптрона U2).
Схема БП свитча собрана на основе микросхемы UC3843B и 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 (если он изменяется в допустимых пределах), малый вес и габариты. Основные элементы ИБП (рис.3): выпрямитель BD1, ЭЛ конденсатор С2, микросхема U2, ключ (полевой транзистор) Q1, высокочастотный трансформатор Т1, диод Шотки D3.
Принцип работы ИБП. Переменное напряжение электросети ~220 В, поступает через сетевой фильтр на низкочастотный выпрямитель, где выпрямляется до напряжения +310 В.
Далее 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, т.е. поддержка выходного напряжения в заданных пределах, осуществляется за счет широтно-импульс-ной модуляции (ШИМ). Это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному, при постоянной частоте.
Главный регулирующий элемент, стабилизирующий выходное напряжение, - петля обратной связи, принцип работы которой, описан ниже.
Назначение радиоэлементов ИБП (рис.3):
•  CY1, CY2, CY3, С24, LF1 - заградительный фильтр, предотвращающий проникновение в электросеть импульсных синфазных и дифференциальных помех, возникающих в блоке питания в процессе преобразования;
•  F1 - предохранитель (1А 250 В) с двумя проволочными выводами, ограничивает ток нагрузки;
•  RT1 -термистор 5,0 Ом, ограничивает пусковой ток;
•  R1 - резистор, разряжающий конденсатор С24 после выключения блока питания;
•  BD1 - выпрямительный мост питающей электросети и С22 (68 мкФ / 400 В) - сглаживающий
конденсатор. Если напряжение электросети составляет ~220 В, то выпрямленное напряжение равно +310 В. Естественно, если питающее переменное напряжение изменяется в допустимых пределах ~100 В...~240 В, то выпрямленное напряжение на С22 будет принимать значения в 1,41 раза больше этих значений, т.е.+141 В...+338 В;
• U1 типа UC3843B в корпусе DIP-8 - широко распространенная 8-выводная микросхема (однотактный ШИМ-контроллер), предназначена для ИБП. Ее стоимость около 0,4$. Назначение выводов (рис.3): 1 - вход компаратора; 2 - вход обратной связи; 3 - вход контроля тока нагрузки на ИБП; 4 -частотозадающая часть; 5 - общий; 6 - выход импульсов для затвора ключа Q1 (их амплитуда около 10 В); 7 - напряжение питания микросхемы, его пределы изменения, в данном ИБП, составляют +7,9 В...+10 В; 8- выход опорного напряжения +5 В;
•  Q1 2SK2645 (600 В; 9 А; 50 Вт) - полевой N-канальный транзистор, ключ преобразователя, стоимостью 8 грн. (1$). Внутри его встроен диод, включенный обратно приложенному напряжению сток-исток, его назначение - поглощение импульсных выбросов, возникающих при работе ключа. Управление ключом Q1 осуществляет микросхема U1 (через вывод 6) путем воздействия на затвор ключа импульсами с амплитудой около 10 В и частотой 80 кГц;
•  R12 (22 Ом), D5 - цепочка, обеспечивающая оптимальную форму импульсов на затворе полевого транзистора;
•  R10 (0,8 Ом / 5 Вт) - датчик тока, контролирующий  нагрузку на ИБП.  Снимаемое с R10 импульсное напряжение через R9 (660 Ом) подается на вывод 3 микросхемы U1. Конденсатор С8 (330 пФ) фильтрует помехи в этой цепи.
В зависимости от величины напряжения от датчика тока, микросхема автоматически регулирует скважность импульсов, а следовательно, и количество энергии, отдаваемую в нагрузку через трансформатор Т1. Если же ток в нагрузке превысит максимально допустимое значение или там произойдет короткое замыкание, то снимаемое с R10 напряжение превысит пороговое значение, микросхема прекратит подачу управляющих импульсов на затвор Q1, и ИБП выключится;
•  R3 - через этот резистор положительное напряжение подпитывает вывод 3 микросхемы U1;
•  Т1 - импульсный ферритовый трансформатор с тремя обмотками: 1 -первичная, принимающая на себя импульсы при работе ключа 01, 2 -обмотка, обеспечивающая питание микросхемы U1 в рабочем режиме+7,9 В... 10 В, 3-обмотка питающая выпрямитель +3,3 В;
•  D28; С4 (2200 пФ / 1 кВ), R5 (47к / 2 Вт) -демпферная цепочка, препятствующая выбросам напряжения на ключе в момент его запирания. Эти выбросы могут превышать напряжение сети в 3-4 раза;
•  R2 (110к) - резистор, осуществляющий первоначальный запуск микросхемы при включении ИБП в электросеть. Снимаемое с конденсатора С2 (47 мкФ / 400 В) положительное напряжение, через R2, подается на вывод 7 U1. При достижении на этом выводе напряжения +16 В микросхема запускается. В дальнейшем, в рабочем режиме, питание микросхемы, на выводе 7, осуществляется от обмотки обратной связи 2 трансформатора Т1, при этом напряжение на этом выводе может изменяться в зависимости от нагрузки на ИБП в пределах+7,9 В...10 В;
•  С6(100пФ), R4( 10k)-элементы, задающие частоту работы преобразователя микросхемы. В данном ИБП частота преобразования составляет 80 кГц;
•  D4, С5 (100 мкФ / 25 В) - выпрямительный диод и сглаживающий конденсатор, питающие микросхему (на выводе 7) в рабочем режиме ИБП, R11 (10 Ом) - гасящий резистор в этой цепи;
•  D3 - (LD332D) мощный диод Шотки в выпрямительной цепи +3,3 В. Для охлаждения диод прикручен к алюминиевому радиатору, что позволяет отдавать ток в нагрузку до 7 А;
•  С11 (1000 пФ), R15 (4,6 Ом) - RC-цепочка, подключенная параллельно диоду Шотки D3, подавляющая высокочастотные «звоны», возникающие при выпрямлении переменного тока;
•  С2, С9, С12 (2200 мкФ / 6,3 В), L3 - сглаживающий фильтр во вторичной цепи, +3,3 В;
•  С16 (0,01 мкФ) - конденсатор, гасящий высокочастотные помехи в цепи +3,3 В;
•  R28 (1К) - резистор, осуществляющий небольшую нагрузку на цепь +3,3 В и разряжающий конденсаторы фильтра после выключения ИБП;
•  петля обратной связи, предназначенная для стабилизации выходного напряжения +3,3 В, независимо от изменения питающего напряжения и нагрузки.
Принцип работы петли обратной связи заключается в изменении скважности (длительности) импульсов, подаваемых микросхемой U1, 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 U1, 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 энергии в обмотку 1 трансформатора Т1, отчего напряжение на вторичной обмотке За увеличивается и на выходе восстанавливается напряжение +3,3 В.
Если напряжения +3,3 В увеличилось, то весь процесс регулирования идет наоборот. Таким образом, управление скважностью импульсов методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) осуществляется микросхемой путем 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.
Основные элементы петли обратной связи (рис.3):
•  U2 (L03040 817с) - оптрон, основной регулирующий элемент петли. Он является посредником между высоким и низким напряжением, т.е. развязывает высоковольтную и низковольтную части ИБП и воздействует на вывод 2 однотактного ШИМ-контроллера UC3843BN;
•  U3 (НА17431VP) -управляемый стабилитрон, создающий опорное (эталонное) напряжение для оптрона;
•  ZD1 (1N4730A)-стабилитрон, открывается, когда напряжение на выходе ИБП превышает +3,0 В. Открывшись, ZD1 подает напряжение на управляющий электрод тиристора, отчего тот открывается и подает напряжение на оптрон, т.е. запускает петлю обратной связи;
•  SCR - тиристор типа CR02AM (600 В / 0,3 А).
Совместно со стабилитроном ZD1 и управляемым стабилитроном U3 (HA17431VP) и их обвязкой обеспечивают запуск и оптимальное свечение светодиода оптрона, а следовательно, и петли обратной связи;
•  R17, R18, R19, С19, R20, С20, R16 - резисторы и конденсаторы обвязки, обеспечивающие номинальный режим работы низковольтной части петли обратной связи; • R7, R8 - делитель напряжения в высоковольтной части петли обратной связи. Они делят опорное напряжение +5 В, поступающее с вывода 8 U1, в оптимальной пропорции для вывода 2 U1, при этом выводы 3-4 оптрона U2 являются регулирующим элементом.
Ремонт ИБП. Признаки повреждения свитча: не горят его индикаторы (светодиоды) или свитч не выполняет возложенных на него функций. В первом случае поврежден ИБП, во втором - неисправность может быть как в ИБП (занижено выходное напряжение), так и в основной плате свитча.
ИБП свитча постоянно включен в электросеть и годами не выключается, а так как вечных радиоэлементов нет, то его повреждения дело времени.
Если это случилось, то для ремонта его импульсный БП вынимают из внутренней части свитча, для этого снимают крышку и выкручивают 3 винта, крепящих блок питания к корпусу.
Ремонт начинают с внешнего осмотра, при котором выявляют поврежденные детали, целость токоведущих дорожек, отсутствия трещин в пайках.
Наиболее слабым местом в ИБП являются электролитические (ЭЛ) конденсаторы: от длительной работы они высыхают и теряют емкость. При этом от внутреннего избыточного давления газа внутри ЭЛ конденсаторов их торцы могут быть иногда вздутыми, а внутренние пластины даже закорочены.
Если ЭЛ конденсаторы внешне не вздуты, то их заниженную емкость выявляют измерителем емкости (например, прибором DM6243), при этом необязательно их выпаивать. Причина, вызывающая высыхание (старение) ЭЛ конденсаторов, -длительное время непрерывной работы, обычно, составляет 3.. .5 лет. На их долговечность губительно действует повышенная температура окружающей среды, участившаяся в последние годы летом, до +40°С. Если свитч работает в охлаждаемых серверных, то старение ЭЛ конденсаторов лишь замедляется, но не устраняется.
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, он будет работать еще дольше.
Затем, подключив омметр к входу ~220 В, проверяют отсутствие короткого замыкания вначале в высоковольтной цепи, а после, переключив омметр к выходу напряжения +3,3 В, и в низковольтной цепи.
Далее нагружают цепь +3,3 В лампой от электрофонаря 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 / 100 Вт.
Эта лампа используется только на время ремонта или испытаний ИБП, она защищает его и электросеть от тяжелых последствий, при возможных пробоях в радиоэлектронных элементах, 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. Итак, какие же внешние признаки неисправностей, их причина и методы устранения:
1. При включение в электросеть ИБП не подает «признаков жизни», т.е. нeработает.
Типичная причина - заниженная емкость ЭЛ конденсатора С10, заменить. При норме 100 мкФ его емкость может уменьшиться до 5 мкФ.
2. После ремонта, ИБП работает, но при испытании на способность выдерживать нагрузку, выключается.
Его цепь +3,3 В должна выдерживать нагрузку до 7 А, ее создают подключением к цепи +3,3 В группы резисторов с общим сопротивлением 0,45 Ом и мощностью не менее 20 Вт.
Вместо резисторов можно применить 12 В мощные электролампы от автомобиля или 6 В от мотоцикла, постепенно наращивая их количество и следя амперметром за тем, чтобы ток в цепи не превышал 7 А.
Первая и наиболее типичная причина недержания нагрузки - заниженная емкость конденсаторов С22, С2, С9, С16 и С10. 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) (рис.3) 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 изменения сопротивления.
В нормально работающем ИБП напряжение на светодиоде оптрона (выводах 1 -2), равно 1,0 В, а на выводах 3-4 равно 2,28 В.
3. При включении в электросеть ИБП не работает, измерения омметром показали, что сгорел предохранитель F1.
Предохранитель сгорает, если ток в цепи превышает расчетный ток. Возможные причины -«пробой» одного из радиоэлементов: полевого транзистора Q1, моста BD1, конденсаторов CY1, CY2, С24, С22. Причины, вызывающие «пробой», -скачки питающего напряжения в электросети из-за аварии в ней [6] или от молнии (при ударах илинаводках в электролиниях). В этом ИБП нет вари-стора, который защитил бы его радиоэлементы от скачков напряжений, - это один из недостатков этой схемы.
Если вы обнаружили пробой полевого транзистора Q1, то в таком случае всегда сгорает микросхема U1 и датчик тока R10, а также и остальные радиоэлементы в их обвязке. Всех их необходимо проверить и поврежденные элементы заменить. При замене датчика тока R10, новый резистор должен иметь точно такое значение и мощность.
Проверку на отсутствие короткого замыкания необходимо произвести и в низковольтной цепи +3,3 В. Здесь могут быть пробитыми ЭЛ конденсаторы С2, С9, С12, диод Шотки D3.
После замены поврежденных радиоэлементов, взамен поврежденного, устанавливают новый предохранитель и включают ИБП в электросеть, обязательно через последовательно включенную электролампу 220 В / 100 Вт.
4.  При включении в электросеть ИБП не работает, при этом предохранитель и полевой транзистор исправны, а ЭЛ конденсаторы проверены, а неисправные заменены. Поло-зрение палает на микросхему U1. как ее проверить?
Проверку работоспособности микросхемы U1 (UC3843B) можно провести без ее выпайки из схемы. Для этого на время проверки закоротить (запаять) перемычкой резистор R3 (110k), к «вывод
6 и корпус» подключить осциллограф, а к выводу
7  - электронный вольтметр. К высоковольтному входу «~220 В» подключить регулируемый источник постоянного или переменного напряжения 0...30 В (желательно через резистор 100...300 Ом). Начиная с О В, постепенно увеличивают регулируемое напряжение. При его значении +16 В на выводе 7 исправная микросхема запускается и работает при снижении напряжения до+10 В (номинальное значение). При этом осциллограф должен показать импульсы амплитудой около 10В. После окончания проверки не забудьте с R3 снять перемычку.
5.  Индикаторы на свитче светятся, но он перестал выполнять возложенные на него функции, т.е. объединять подключенные к нему компьютеры в единую компьютерную 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 С22, С2, С9, С12. Причем этот симптом может сказываться при понижении емкости вышеуказанных конденсаторов более чем на 40%.
Вторая причина заниженного напряжения - неисправность цепи обратной связи. Проверить все элементы этой цепи. Третья причина - неисправность в плате свитча, той самой, на которую подается питание +3,3 В с ИБП. Плату необходимо проверить, обратив внимание, нет ли короткого замыкания в выводах гнезда RJ-45.
В этой статье автор описал типичные причины неисправностей в ИБП свитча.
Для удобства ремонта на принципиальной схеме рис.3 показаны цоколевки: полевого транзистора Q1 (К2645), управляемого стабилитрона U3 (HA17431VP) и тиристора SCR (CR02AM), все они обведены кругами.
При ремонте ИБП следует помнить, что его высоковольтная часть находится под опасным для жизни фазным напряжением, отчего следует проявлять осторожность. Чтобы обезопасить себя от поражения фазным напряжением (при случайном прикосновении), по технике безопасности рекомендуют применять силовой разделительный трансформатор ~220 В / ~220 В.
Выводы:
Чтобы ИБП свитча долго и надежно работал, необходимо выполнить две рекомендации:
1. Обеспечить электропитание свитча от блока бесперебойного питания, гарантирующего на выходе стабильное напряжение ~220 В и имеющего защиту от скачков (выбросов) напряжения электросети.
2. Эксплуатировать свитч в серверной, где пониженная температура поддерживается кондиционером. Это не гарантирует вечную работу ИБП, но сравнительная долговечность обеспечена.
PA №2,2011
Литература
1.  Власюк Н.П. Ремонт импульсного блока питания 24-портового свитча 3COM // Радиоаматор. -2011.-№1.-С.ЗЗ.
2.  Власюк Н.П. Ремонт импульсного блока питания свитча PLANET модели FGSW-2620 // Радиоаматор. - 2010. - №6. - С.30.
3.  Власюк Н.П. Импульсный блок питания свитча D-LINK DES-1024D // Радиоаматор. - 2007. -№10.
4.  Власюк Н.П. Блок питания ноутбука//Радиоаматор. - 2005. - №5. - С.28.
5.  Власюк Н.П. Импульсный блок питания факсимильного аппарата Panasonic KX-FT76 // Радиоаматор. - 2005. - №7. - С.52.
6.  Власюк Н.П. Что делать, если от аварии в электросети у вас вышла из строя бытовая техника // Радиоаматор. - 2005. - №9. - С.27.
7.  Власюк Н.П. Зарядное устройство мобильного телефона Nokia AC-3E // Радиоаматор. - 2009. -№1.-С.32.
8.  Власюк Н.П. Зарядное устройство цифрового аппарата Canon IXUS 8515 // Радиоаматор. -2009. - №2. - С.24.