|
26.10.2012 Protože mě zas začal zlobit můj PC zdroj Fortron ATX-350PNR podivným tichým pískáním a škvrkáním, kterého se mi nepodařilo zbavit (jednou jsem už zdroj kvůli tomuto problému opravoval, ale teď to po přeměření na kondíky nevypadá), rozhodl jsem se, že je čas na upgrade. Přece jen si zdroj odkroutil svých 6 let v téměř každodenním provozu bez plamenných či dýmových efektů, takže už má nárok na zasloužený důchod. Z různých recenzí a testů mi přišly celkem sympatické zdroje od výrobce Seasonic. Kupoval jsem už od nich jeden 520W zdroj do práce pro server a zatím spokojenost. Pro sebe se spokojím s menším výkonem, takže jsem se rozhodl pro typ S12II-430 (430W) za vcelku přijatelnou cenu 1404 Kč. Někteří overclockeři se na něj sice dívají skrz prsty jako na lowend, ale já kupuju zdroj úměrný (i tak předimenzovaný) své PC sestavě. Podle testů na netu se naopak jedná o docela solidní zdroj. S tím jsem se však nespokojil a podíval jsem se mu pěkně na střevíčka a udělal vlastní zátěžový test s měřením účinnosti, viz dále. Pokud hledáte max. výkon a účinnost bez kompromisů, mrkněte se na nový 750W model Seasonic Prime 750 se zárukou úctyhodných 10 let.
V krabici se kromě zdroje nachází i síťová šňůra, šroubky na uchycení do case, rozdvojka s 2 malými molexy a tenký návod. Kabely jsou pěkně zaflexované, ale na můj vkus zbytečně dlouhé. Majitelé bigtowerů se tak nemusí bát, že by někam nedosáhly. Seasonic také vyrábí dražší verze zdrojů s modulární kabeláží na konektory. Za zmínku stojí malá vychytávka v podobě dvou plastových per na koncích molex konektorů, jejichž stiskem lze snáze uvolnit pevně zacvaknutý konektor z disku či optické mechaniky. Na štítku jsou uvedeny následující max. proudová zatížení jednotlivých větví:
větev max. proud max. výkon +3,3 V 20 A 130 W* +5 V 20 A 130 W* +5 Vsb 2,5 A 12,5 W +12 V1 17 A 360 W* +12 V2 17 A 360 W* -5 V není není -12 V 0,8 A 9,6 W * sdružené výkony
Zdroj se tváří, jako že má dvě samostatné 12V větve, ale ty jsou pravděpodobně spojené hned za usměrňovačem a mají společnou tlumivku a filtraci. Každopádně na výstupních konektorech jsou všechny 12V linky propojené. Také jsem si všiml, že zmizela -5V větev, ale popravdě ani u velmi starých PC 8086 či 80286 si nevzpomínám, že by byla na desce k něčemu potřeba, možná u nějakých obskurních ISA karet...
Nyní se podíváme dovnitř zdroje a uvedu výčet těch nejdůležitějších komponent. Byl jsem příjemně překvapen, že se jedná o kvalitní značkové součástky (pokud to nejsou pajcy, ty už jsou dnes často okem k nerozeznání). Základem zdroje je vysoce integrovaný SMPS kontrolér ICE1CS02, který obsahuje řídicí obvod aktivního PFC (v podstatě zvyšující spínaný měnič) pracující na frekvenci 65 kHz a PWM kontrolér pro polomost pracující na frekvenci 130 kHz včetně gatedriveru s výstupem až 2 Apk. Jó kde je dnes TL494... Díky vyšší spínací frekvenci a MOSFETům s malým Rdson může zdroj pracovat efektivněji a při stejné velikosti trafa přenese mnohem větší výkon než dříve. Dále ve zdroji najdeme:
primární strana:
počet součástka výrobce 1 elyt 390 µF / 400 V / 105°C Rubycon 1 diodový můstek GBU806, 560 VAC / 8 A Diodes 4 MOSFET FDP18N50, 500 V / 18 A / 235 W / 0,22 Ω fairchild 1 ultrafast dioda STTH8S06D, 600 V / 8 A / 1,5 V / 12 ns ST-Micro 1 Combi PFC / PWM Controller ICE1CS02, 65 kHz / 130 kHz, 2 Apk Infineon
sekundární strana:
počet součástka výrobce 2 schottkyho duodioda 30L30CT, 30 V / 2 x 15 A / 0,46 V Vishay? 3 schottkyho duodioda 30A50CT, 50 V / 2 x 15 A / 0,55 V Diodes? 3 optron HCPL-817B, fotodioda - fototranzistor, 4 µs ? 1 PC Power Supply Supervisor HY510N, 3,3 V, 5 V, 12 V monitor Hawyang 1 BBNAA QD165R ? DIL8 fairchild 1 low ESR elyt 3300 µF / 10 V / 105°C / 18 mΩ, řada KZE Nippon 1 low ESR elyt 3300 µF / 16 V / 105°C / 15 mΩ, řada KZE Nippon 1 low ESR elyt 2700 µF / 16 V / 105°C / 16 mΩ, řada KZE Nippon 2 low ESR elyt 2200 µF / 16 V / 105°C / 18 mΩ, řada KZE Nippon 1 low ESR elyt 1000 µF / 16 V / 105°C / 23 mΩ, řada KZE Nippon 3 low ESR elyt 1000 µF / 10 V / 105°C / 41 mΩ, řada KZE Nippon 1 low ESR elyt 220 µF / 16 V / 105°C / 130 mΩ, řada KZE Nippon 1 ventilátor AD1212MB-A70GL, 12 V / 0,33 A / 2050 RPM / 38 dB ADDA Corp.
A teď zdroj trochu potrápíme v zátěžovém testu. Jelikož jsem neměl k dispozici dostatečně veliký reostat na takový výkon, posloužila jako zatěžovátka nenasytná žhavicí vlákna několika ruských elektronek GU-80, GU-81M (pro 12V větev) a 6S33S (pro 5V větev). Zrovna se o víkendu udělala pěkná zima, takže bylo třeba přitopit :) Vstupní napětí, proud, příkon a účiník zdroje jsem měřil pomocí TrueRMS multimetru Metex M-3860M, výstupní napětí a proudy pak čínským šmejdem, který jsem si zkalibroval podle Metexu. Napětí obou větví jsou měřena na nezatíženém kabelovém svazku, aby se eliminovaly úbytky napětí na vodičích (tyto ztráty jsou však do výstupního výkonu započítány). Z naměřeného příkonu a výkonu jsem spočítal reálnou účinnost.
uin [V] iin [A] Pin [W] cos(φ) Uout@5V [V] Pout@5V [W] Uout@12V [V] Pout@12V [W] Pout [W] η [%] 234 0,11 5 0,22 5,12 0 12,25 0 0 0,0 234 0,23 40 0,71 4,78 26 13,03 0 26 65,0 234 0,34 65 0,87 4,71 47 13,17 0 47 72,3 234 0,51 112 0,92 5,39 0 11,66 98 98 87,5 233 0,70 157 0,96 5,07 28 12,38 109 137 87,3 233 0,83 187 0,96 5,01 50 12,48 110 160 85,6 233 1,36 311 0,98 5,04 50 12,43 220 270 86,8 233 1,92 447 0,99 5,06 51 12,38 332 383 85,7
Jak je vidět, zdroji moc nesvědčí nevyvážené zatížení. Když jedna větev zůstane zcela bez zátěže, tak při zatížení druhé větve na ní vyleze napětí až o 10%. Tak tomu je asi u většiny PC zdrojů, kde se předpokládá odběr z více větví. Pokud jsou zatíženy obě větve, drží se napětí v rozumných mezích v celém rozsahu odebíraného výkonu. Při malých výkonech pár desítek W je vidět, že PFC moc nefunguje - hodnota účiníku je nízká. Při vyšším zatížení pak účiník rychle roste až téměř k 1. Podobně tak účinnost zdroje je zpočátku nižší, zhruba od 70 W se dostává nad 80%, maxima 87,5% dosahuje kolem 100 W a dále se drží kolem 85%. To je myslím slušný výsledek na to, že zdroj je označen jako 80%+. Avšak je potřeba uvažovat i provoz ze sítě 120 V (zdroj je univerzální pro vstupní napětí 100 - 240 V), kdy bude účinnost kvůli větším proudům nižší. Větrák se zhruba do 200 W nijak zvukově neprojevoval (nebude potřeba ani přidávat ztišovací odpor :), pak postupně začal nabírat na síle a při 383 W už celkem slušně hučel. Na povrchu krabice zdroje jsem nepozoroval žádné oteplení.
Pokusil jsem se také změřit skokovou odezvu na změnu zátěže. Zapínal a vypínal jsem proud 9 A na 12V větvi, přičemž jsem naměřil 0,2V překmit na 5V větvi a 0,4V překmit na 12V větvi. Na následujících oscilogramech je vidět časový průběh zvlnění o frekvenci 130 kHz. Zvlnění na 12V větvi bez zátěže dosahuje 30 mVpp, při zatížení 220 W pak 60 mVpp. Zvlnění na 5V větvi při zatížení 25 W dosahuje 50 mVpp, což jsou slušné hodnoty.
loadtest 12V unloaded 12V @220W load 5V @25W load
Aktivní a pasivní PFC vs UPS
28.10.2012 Z nového zdroje jsem se ale neradoval příliš dlouho. Při testu provozu ze záložního zdroje APC Back-UPS 500 nastaly problémy. Už z předchozích pročítání různých fór jsem věděl, že zdroje s aktivním PFC můžou být zblblé, pokud jim UPSka servíruje skokovou aproximaci sinusového napětí (typicky trapézový průběh, viz níže) a v lepším případě zlověstně bzučí, v horším případě se vypínají. U tohoto zdroje jsem četl, že by měl fungovat, leč není tomu tak. Resp. záleží na odebíraném výkonu. Když jsem zdroj přinesl domů, otestoval jsem ho zatížený pouze dvěma disky a to fungovalo. Ale když jsem na něj navěšel celý počítač (komponenty s idle spotřebou cca 100 W), tak zdroj začal cyklovat a počítač se resetoval a zmizel obraz dokud jsem nepřepnul zpět na síť). Podrobnějším měřením jsem zjistil, že hranice stability leží někde u odběru 5 A z 12 V (60 W), takže to je na moje PC málo. Možná někomu s úspornější sestavou to třeba fungovalo.
Ještě bych zmínil pár slov k samotnému PFC (Power Factor Correction). Zjednodušeně řečeno obvod korekce účiníku se stará o to, aby zdroj odebíral ze sítě co nejvíce činného výkonu a co nejméně jaloviny. Jalový proud teče střídavě mezi elektrárnou a spotřebičem - spotřebič se v jistém okamžiku stává i zdrojem a energii vrací zpět, ale ve spotřebiči se nemění na práci. Jelikož elektroměry domácností registrují pouze činný výkon spotřebiče, nemusí to uživatele zajímat. Nicméně je pravda, že tento jalový proud na své cestě z/do elektrárny způsobuje reálné ztráty na vedení, které by musela platit distribuční společnost a proto je snaha jalovinu kompenzovat hned ve spotřebiči. U spínaných zdrojů je to ale složitější. Dříve byl na vstupu zdroje přímo usměrňovací můstek následovaný velkým elytem, který se dobíjel jen v krátkých okamžicích, když bylo okamžité napětí v síti větší než napětí na elytu. Tyto impulzní proudy však dosahovaly poměrně vysokých hodnot, že docházelo ke krátkodobému přetěžování sítě a deformaci sinusového průběhu napětí. Ono když se podíváte do zásuvky osciloskopem, tak se vám ta sinusovka asi moc líbit nebude...
S tím jak v 90. letech začal prudce narůstat počet a výkon spínaných zdrojů, nabýval tento problém na intenzitě. V důsledku toho bylo roku 2001 přijato nařízení, které ukládá výrobcům zdrojů od určitého výkonu výrazně snížit počet vyšších harmonických odebíraného proudu, tedy integrovat obvod PFC. Protože v té době nebyly běžně dostupné integrované obvody pro aktivní PFC, vyřešili výrobci problém jednoduše zařazením velké železné tlumivky do série před můstkový usměrňovač. Tím se úzké proudové špičky tekoucí diodami rozplizly do širšího pulzu a síti se odlehčilo. V případě připojení zdroje k UPS s trapézovým průběhem výstupního napětí nebyl žádný problém, tlumivka zpomalila strmé hrany, jen při tom mohla trochu víc bručet.
Výrobci zdrojů však hledali cestu jak ušetřit, protože velká tlumivka obsahovala spoustu drahé mědi. A tak byly vyvinuty integrované obvody pro aktivní PFC, které fungují jako zvyšující měnič, rozsekávající vstupní sinusovku řádově vyšší frekvencí (takže stačí mnohem menší a levnější tlumivka), kterou nabíjí vstupní kondenzátor tak, aby odebíraný proud byl zhruba sinusový. Někteří výrobci těchto obvodů však jaksi pozapomněli na starší UPSky s nesinusovým průběhem, který může tyto obvody zblbnout. Před tím varuje i firma APC, která doporučuje použít nové modely UPS se sinusovým výstupním napětím (a zajistit si tak odbyt). U starších UPS prý dochází ke krátkodobému přetěžování a výpadkům. Z toho co jsem však pozoroval já, to vypadalo že spíše vypadává zdoj než UPS.
Abych se vyhnul dalším výdajům za novou UPS (modely se sinusovým výstupem od APC stojí tak od 4000 Kč výše), pokusil jsem se vymyslet nějaký filtr, který by umožnil chod nového zdroje na stávající UPS. Po několika pokusech s tlumivkou a kondíky jsem dospěl k jednoduchému zapojení s usměrňovačem a LC filtrem. Zdroj totiž spolehlivě funguje i při napájení ze zdroje stejnosměrného napětí, však je taky vevnitř hned na vstupu usměrňovač. Takže jsem výstup z UPS usměrnil a vyhladil kondíkem - bez něj to nejelo. Kapacita musí být alespoň taková, aby napětí nekleslo na nulu (při mých 120 W asi 47 µF).
K tomu jsem použil tlumivku ze starého zdroje s pasivním PFC a elyt 330 µF / 400 V. Tím jsem v podstatě aktivní PFC vyřadil a udělal z něj staré dobré fungující pasivní PFC. Nenapadá mě teď čím, by provoz na SS napětí mohl zdroji vadit. Snad jen že vnitřní diodový můstek zdroje je využit jen z poloviny a diody namáhány dvojnásobným středním proudem, ale i tak je to s rezervou, půjde tam max. kolem 2 A (rating můstku uvažuju 4 A na diodu trvale). Franta Ryšánek mě uklidnil tím, že někteří jejich zákazníci v průmyslu napájí PC ze stejnosměrných rozvodů a zatím s tím žádný problém nebyl. Ale radši bych obvod integroval do UPS tak, že by se využíval pouze při provozu na baterie a normálně by se zdroj napájel střídavým napětím. Pokud někdo tento problém řešil jiným způsobem (teď nemyslím výměnou UPS nebo zdroje), byl bych rád, kdyby se o své zkušenosti podělil.
30.10.2012 Dnes večer jsem udělal několik měření, abych zjistil, jak vlastně vypadají průběhy napětí a proudu v obvodu navrhnutém výše. Na 1. oscilogramu je napětí střídavé sítě a proud, který si zdroj odebírá při napájení PC. Jak je vidět, zde funguje aktivní PFC velice dobře, proud je docela sinusový, jen lehce předbíhá napětí (kapacitní zátěž). Na 2. oscilogramu je usměrněné napětí (cca 300 V) a proud (cca 0,4 A) za předřazeným filtračním kondenzátorem, který si zdroj odebírá - obojí pěkně vyhlazené. Obvod aktivního PFC už funguje jen jako zvyšující měnič na nastavenou úroveň. Na 3. oscilogramu je napětí střídavé sítě a proud, který odebírá obvod anti-active PFC zatížený zapnutým zdrojem. Účiník poklesl z 0,94 na 0,78. Podobně vypadá odběr zdroje s pasivním PFC.Na 4. oscilogramu je pak výstupní napětí a proud z UPS při běhu z baterie. Zajímavé, že se trapézový průběh napětí změnil na obdélník a proud teče jen jedním směrem, což asi není zrovna ideální stav. Také jsem zjistil, že UPS v tomto režimu vydrží sotva 20 vteřin provozu, což by mělo na malé výpadky a bezpečné vypnutí systému stačit. Zkoušel jsem měnit kapacitu elytu a zvětšit indukčnost tlumivky, ale lepšího výsledku jsem nedosáhl...
anti-active PFC bastl PSU AC input PSU DC input rectifier AC input UPS AC output
změřený odběr se sítě na vstupu anti-active PFC:
zátěž uin [V] iin [A] Pin [W] cos(φ) stand-by 233 0,04 4 0,48 samotné PC 233 0,71 129 0,78 PC + LCD 233 0,90 164 0,78
19.11.2012 Tak už jsem zjistil, proč se mi průběh výstupního napětí UPS náhle změnil z trapézu na obdélník. Při mém pokusování s LC filtrem totiž v tichosti odešel 1 MOSFET v push-pullu, který budí trafo, takže to ten druhý chudák táhnul sám a měnič i baterie byly přetížené, tudíž to řídicí elektronika rychle vypnula. Když jsem UPS testoval se 100W žárovkovou zátěží, vydržela běžet jen asi 2 minuty, přičemž začal být cítit zápach spáleniny a z útrob se linul dým. Po odkrytování byl viník rychle nalezen pomocí nasliněného prstu (jen to zasyčelo) a podle viditelně zakalené kovové části pouzdra TO220 onoho tranzistoru STP55NE06 (60 V / 55 A / 130 W / 22 mΩ / 3 nF / 120 + 50 ns), který nebyl ani na chladiči (za normálního provozu se moc nehřejou). V zásobách jsem našel jako vhodnou náhradu IRFZ48N (55 V / 64 A / 130 W / 14 mΩ / 2 nF / 78 + 50 ns), který má menší Rdson a je o trochu rychlejší. Dovolené Uds je o 5 V nižší, ale osciloskopem jsem na drainu naměřil max. kolem 45 V na prázdno i se zátěží, takže v pohodě. Aby byla zachována symetrie, vyměnil jsem oba FETy. Poté už UPS naběhla normálně a na výstupu byl opět trapéz.
Když už jsem byl v tom testování, změřil jsem účinnost měniče UPS při zátěži 100W žárovkou. Odevzdávaný výkon byl přesně 100 W @ 230 V a příkon z baterie byl 118 W (11 A @ 10,8 V). Z toho plyne účinnost 84%, což není vůbec špatné. Problém je, že podle vybíjecích charakteristik gelového akumulátoru (v mém případě Alarmguard CJ12-7) při tak velkém proudovém odběru klesá efektivní kapacita na pouhých 2,8 Ah ze jmenovitých 7 Ah, takže vydrží jen asi 15 minut místo teoretických 37 minut. Reálně UPS běžela 15 minut a 27 vteřin, využitá energie z baterie byla jen 33,7%.
Dále jsem znovu přeměřil obvod anti-active PFC zatížení PC + LCD s celkovým odběrem 162 W. Na 1. oscilogramu je výstupní napětí a proud z UPS při běhu z baterie, na 2. oscilogramu pak napětí a proud za tlumivkou na vstupu diodového můstku. UPS vydržela napájet PC 11 minut a 3 vteřiny, což je na bezpečné uložení práce až až. Využitá energie z baterie byla 39% - zřejmě se baterie předchozím cyklem trochu rozcvičila.
Back-UPS 500 Back-UPS 500-vnitřek STP55NE06 UPS AC output UPS AC out-choke
Mezitím se však události vyvinuly jinak. Na fóru elektrobastlírna, kde jsem o tomto problému založil vlákno, mi jeden uživatel nabídl za rozumný peníz postarší UPS se sinusovým výstupem APC Smart-UPS 600, takže jsem ji nakonec vzal. Akorát jsem musel ještě přikoupit druhou baterku 12 V / 7 Ah. Tato UPS by se mohla hodit i jako měnič pro další přístroje vyžadující sinus. Bez přítomnosti sítě ji lze jednoduše zapnout současným stiskem tlačítek "I" a "BEEP OFF" (přeškrtlý zvoneček) na předním panelu. Měnič pak startuje na frekvenci 60 Hz. V případě výpadku sítě zvolí měnič stejnou frekvenci jako měla síť. Jak je vidět na oscilogramu, sinusovka je docela pěkná, ba lepší než v síti.
Smart-UPS 600 Smart-UPS 600-vnitřek UPS AC output Vout
Taktéž jsem změřil stejným způsobem účinnost měniče UPS při zátěži 100W žárovkou. Odevzdávaný výkon byl 105 W @ 232 V a příkon z baterie byl 123 W (5,1 A @ 24,2 V). Z toho plyne účinnost 85%, tedy o chlup lepší než měla stará UPS. Dobu výdrže UPS při napájení PC + LCD s celkovým odběrem 162 W jsem naměřil 16 minut a 39 vteřin. Využitá energie z baterií byla 29%, což je horší než se starou UPS testovanou s novou baterkou. Avšak druhá baterka je přes rok stará, takže už není ve 100% kondici.
11.2.2018 O Vánocích jsem při údržbě zjistil, že UPS neplní svou funkci, protože mezitím oba akumulátory vyschly a neudržely tak zálohu ani na vteřinu. Za tu dobu UPSka běžela na baterky jen pár minut, když jsem si párkrát shodil jistič. Poslední výměna akumulátorů (Fukawa 12 V / 7,2 Ah) proběhla 3.7.2015, takže vydržely sotva 2,5 roku. Na vině by mohlo být příliš vysoké udržovací napětí. Naměřil jsem 27,6 V, resp. 13,8 V na 1 akumulátoru, což bývá doporučovaná hodnota, která se však může měnit podle teploty. Rozhodl jsem se, že zkusím předejít degradaci akumulátorů snížením tohoto napětí na 27,2 V, resp. 13,6 V na 1 akumulátor. Našel jsem si servisní schéma UPSky a zjistil, že nabíjení je realizováno spínaným měničem UC2843 (IC15), kterému jsem upravil hodnotu odporu R145 (24,9 kΩ) v napěťové zpětné vazbě. Jelikož je odpor schovaný pod trafem, připájel jsem k němu paralelně odpor 1,5 MΩ z druhé strany plošňáku. Napětí se snížilo na předpokládanou hodnotu, tak jsem zvědav, jestli nové akumulátory (XTREME 12 V / 7 Ah) vydrží déle. Měl bych jim také občas dopřát nějaký vybíjecí/nabíjecí cyklus, aby nezlenivěly.
